深入理解 C 语言中的联合体

目录

引言

一、 联合体的定义与基本用法

1.联合体的定义

2.基本用法

二、 联合体与结构体的区别

1.结构体

2.联合体

3.对比 

三、联合体的优势

1. 节省内存

2. 提高效率

3. 代码简洁性

四、联合体的存储细节

1.内存对齐

2.大小计算

五、联合体的高级用法

1.匿名联合体

2.联合体数组

3.联合体进行类型转换

六、注意事项

总结

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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。