引言
联合体（union）是 C 语言中的一种特殊数据结构，允许在同一内存位置存储不同类型的数据。它与结构体（struct）类似，但存在显著的差异。理解联合体的定义、基本用法、优势、存储细节及其高级用法，有助于在实际编程中有效地使用这一数据结构。
一、 联合体的定义与基本用法
1.联合体的定义
在 C 语言中，联合体通过 union 关键字定义。其基本语法格式如下：
union 联合体名 { 数据类型1 成员名1; 数据类型2 成员名2; ... };
2.基本用法
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> union Data { int i; float f; char str[20]; }; int main() { union Data data; data.i = 10; printf("data.i = %d\n", data.i); data.f = 220.5; printf("data.f = %.1f\n", data.f); snprintf(data.str, sizeof(data.str), "Hello, World!"); printf("data.str = %s\n", data.str); return 0; }
运行结果：
union Data 定义了一个联合体 Data，它可以存储 int、float 或 char 数组。
由于所有成员共享同一块内存，因此设置一个成员的值会覆盖其他成员的值。
二、 联合体与结构体的区别
1.结构体
- 内存分配：结构体中的每个成员都分配独立的内存区域，结构体的大小是所有成员大小之和（可能还会有填充字节）。
- 数据存取：结构体的每个成员都可以独立地存取和修改。
2.联合体
- 内存分配：联合体中的所有成员共享同一块内存，联合体的大小等于最大成员的大小。
- 数据存取：同一时间只能访问一个成员，修改一个成员会覆盖其他成员的数据。
3.对比
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> typedef struct { char c; int i; } MyStruct; typedef union { char c; int i; } MyUnion; int main() { MyStruct s; MyUnion u; // 结构体 s.c = 'a'; s.i = 20; printf("Struct:\n字符：%c, 数字：%d \n", s.c, s.i); printf("Size of MyStruct:%d\n", sizeof(MyStruct)); // 联合体 u.c = 'a'; printf("Union: \n字符：%c,", u.c); u.i = 20; printf("数字：%d\n", u.i); printf("Size of MyUnion:%d", sizeof(MyUnion)); return 0; }
运行结果：
内存示意图：
三、联合体的优势
1. 节省内存
由于联合体的所有成员共享同一块内存，联合体通常比结构体节省内存。在需要存储多种不同类型但不会同时使用的数据时，联合体特别有用。
2. 提高效率
联合体允许在不同数据类型之间进行高效的转换。对于需要在不同数据格式之间切换的应用场景，联合体能够简化数据处理和转换过程。
3. 代码简洁性
使用联合体可以减少代码中对数据类型的重复处理，提高代码的简洁性和可维护性。
四、联合体的存储细节
1.内存对齐
不同数据类型在内存中的对齐要求不同。联合体的内存对齐取决于最大成员的对齐要求。编译器可能会对联合体进行内存对齐，以提高访问效率。
联合体的内存对齐规则则如下：
联合体的第一个成员的地址和联合体本身的地址相同。
联合体的总大小是最大成员大小的整数倍。因为联合体中所有成员共享同一块内存，这块内存的大小必须足够容纳最大成员的大小。
联合体中每个成员的对齐要求必须满足最大成员的对齐要求。
2.大小计算
•联合的⼤⼩⾄少是最⼤成员的⼤⼩。
•当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候，就要对⻬到最⼤ 对⻬数的整数倍。
对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩
示例：
#include <stdio.h> union Un1 { char c[5];//共占5个字节 int i;//最大对齐数，占4字节 }; union Un2 { short c[7];//共占14个字节 int i;//最大对齐数，占4字节 }; int main() { //下⾯输出的结果是什么？ printf("%d\n", sizeof(union Un1)); printf("%d\n", sizeof(union Un2)); return 0; }
运行结果：
五、联合体的高级用法
1.匿名联合体
匿名联合体（Anonymous Union）是一种不需要命名的联合体。它的主要作用是简化代码，特别是在结构体中直接访问联合体成员时，可以省略联合体的名字。
假设我们有一个结构体，其中包含一个匿名联合体用于存储不同的数据格式。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> typedef struct { int type; // 数据类型标识符 union { int i; float f; char str[20]; }; // 匿名联合体 } DataPacket; int main() { DataPacket packet; // 设置为整数类型 packet.type = 1; packet.i = 1234; // 直接访问联合体的成员 printf("Packet Type: %d, Integer Value: %d\n", packet.type, packet.i); // 设置为浮点类型 packet.type = 2; packet.f = 56.78; printf("Packet Type: %d, Float Value: %.2f\n", packet.type, packet.f); // 设置为字符串类型 packet.type = 3; snprintf(packet.str, sizeof(packet.str), "Hello!"); printf("Packet Type: %d, String Value: %s\n", packet.type, packet.str); return 0; }
在 DataPacket 结构体中，union 定义为匿名联合体，因此可以直接访问其成员（如 i、f 和 str），而无需使用联合体名。
2.联合体数组
联合体数组用于存储多个联合体实例。每个联合体实例可以存储不同类型的数据，并且每个联合体实例共享相同的内存布局。
假设我们需要处理多个数据包，每个数据包可以包含不同类型的数据。我们可以使用联合体数组来管理这些数据包。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> typedef union { int i; float f; char str[20]; } DataUnion; int main() { DataUnion dataArray[3]; // 设置数组元素为整数 dataArray[0].i = 42; // 设置数组元素为浮点数 dataArray[1].f = 3.14; // 设置数组元素为字符串 snprintf(dataArray[2].str, sizeof(dataArray[2].str), "Union Array"); // 打印数组元素 printf("dataArray[0] (int): %d\n", dataArray[0].i); printf("dataArray[1] (float): %.2f\n", dataArray[1].f); printf("dataArray[2] (str): %s\n", dataArray[2].str); return 0; }
DataUnion：定义了一个联合体，可以存储整数、浮点数或字符串。
dataArray[3]：创建了一个联合体数组 dataArray，包含 3 个 DataUnion 实例，每个实例可以存储不同的数据类型。
访问数组元素时，每个元素的内容可以根据需要进行设置和读取。
3.联合体进行类型转换
联合体可以用作不同数据类型之间的转换工具。特别是，当需要将相同内存中的数据以不同格式进行解释时，联合体可以提供一种有效的方法。
假设我们有一个float数值，需要以int类型访问其位模式。这可以通过联合体进行实现。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> #include <stdint.h> typedef union { float f; uint32_t i; } FloatIntUnion; int main() { FloatIntUnion data; data.f = 3.14159; // 设置浮点数 // 打印浮点数及其对应的整数位模式 printf("Float value: %.5f\n", data.f); printf("Integer value: 0x%08X\n", data.i); return 0; }
FloatIntUnion：联合体定义，其中一个成员是 float 类型，另一个成员是 uint32_t 类型。uint32_t 用于表示浮点数的位模式。
通过 data.f 设置浮点数，然后可以通过 data.i 访问该浮点数的内存位模式。这种方法用于调试、解析数据格式或其他低级操作。
六、注意事项
使用联合体时，应注意以下几点：
成员访问：确保在访问联合体的成员时，访问的是最近一次赋值的成员。
内存重叠：联合体成员之间的内存重叠可能导致数据损坏，因此使用时要格外小心。
总结
通过以上内容，我们深入了解了C语言中的联合体。合理使用联合体可以提高代码的灵活性和效率，但同时也需要谨慎处理可能出现的内存重叠和数据类型转换问题。
