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C语言：共用体

article 2024/11/24 6:34:09

在C语言中，共用体（union）是一种特殊的用户自定义数据类型，它和结构体类似，但有一个关键区别：共用体中所有成员共用一段内存空间。这使得共用体特别适用于需要节省内存的场景。

1. 共用体的基本概念

内存共享：
- 共用体中的所有成员共享一块内存。
- 共用体的大小由其最大成员的大小决定，而不是所有成员大小的总和。
单一有效成员：
- 在同一时间内，共用体中只能有一个成员是有效的，访问其他成员可能会导致未定义行为。
适用场景：
- 数据类型互斥使用的场景。
- 需要节省内存的嵌入式开发或低资源场景。

2. 共用体的定义和使用

定义共用体

union UnionName {
    data_type member1;
    data_type member2;
    ...
};

声明和使用共用体变量

union UnionName varName;  // 声明共用体变量

示例：定义一个通用数据容器

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;
	SetConsoleOutputCP(65001);

    // 使用整数成员
    data.i = 10;
    printf("整数: %d\n", data.i);

    // 使用浮点数成员
    data.f = 220.5;
    printf("浮点数: %.2f\n", data.f);

    // 使用字符串成员
    // 注意：会覆盖之前的值
    snprintf(data.str, sizeof(data.str), "Hello");
    printf("字符串: %s\n", data.str);

    // 再次访问其他成员会导致未定义行为
    printf("整数（被覆盖）: %d\n", data.i);

    return 0;
}

运行示例：

整数: 10
浮点数: 220.50
字符串: Hello
整数（被覆盖）: 1819043144  // 结果可能因平台不同而异

说明：

由于共用体成员共享同一块内存，赋值 data.f 后会覆盖 data.i 的值，类似地，赋值 data.str 也会覆盖其他成员。

3. 共用体的大小与内存布局

大小计算规则：

共用体的大小等于其最大成员的大小，并且对齐到成员中最大类型的对齐要求。

示例:

union Example {
    char c;      // 1 字节
    int i;       // 4 字节
    double d;    // 8 字节
};
printf("共用体大小: %lu 字节\n", sizeof(union Example));

输出：

共用体大小: 8 字节

原因：
- double 是最大成员（8字节），因此共用体大小为8字节。

4. 共用体的用途

内存优化：
- 在嵌入式系统中，共用体可以减少内存使用，因为多个变量共用一块内存。
数据类型转换：
- 共用体可以用于实现不同类型之间的低级别数据转换，如将整数解释为浮点数或字节数组。
示例：强制类型转换。

union {
    float f;
    int i;
} u;
u.f = 3.14f;
printf("存储为整数: %d\n", u.i);

协议解析：
- 用于网络数据包或文件格式解析，表示一个数据段可能有多种解释方式。
多态数据结构：
- 共用体常用于模拟一种简单的多态结构，可以存储不同类型的数据但只在一个时间点使用一个类型。

5. 共用体与结构体的区别

特性	共用体（union)	结构体（struct)
内存分配	所有成员共用一块内存	每个成员独立分配内存
大小	由最大成员的大小决定	等于所有成员大小之和
访问限制	同时只能使用一个成员	可以同时使用所有成员
适用场景	数据互斥使用、节省内存的场景	含有多个属性的复杂数据结构

6. 共用体的注意事项

数据覆盖问题：
- 修改一个成员会覆盖其他成员的值，因此要小心避免错误使用。

union Test {
    int i;
    float f;
};

union Test t;
t.i = 42;
t.f = 3.14; // 此时 t.i 的值被覆盖

只在合适场景下使用：
- 共用体适合处理数据互斥使用的场景，如果需要同时操作多个成员，建议使用结构体。
对齐与字节序：
- 共用体的内存对齐可能会影响跨平台兼容性。
- 例如，某些平台对 double 类型的对齐要求可能比 int 更严格。

7. 扩展案例：模拟网络数据包

以下示例展示共用体在协议解析中的应用。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

union Packet {
    char rawData[8];
    struct {
        int id;
        short flag;
        short checksum;
    } parsed;
};

int main() {
    union Packet packet;
	SetConsoleOutputCP(65001);

    // 设置原始数据
    packet.rawData[0] = 0x01;
    packet.rawData[1] = 0x02;
    packet.rawData[2] = 0x03;
    packet.rawData[3] = 0x04;
    packet.rawData[4] = 0x05;
    packet.rawData[5] = 0x06;
    packet.rawData[6] = 0x07;
    packet.rawData[7] = 0x08;
    // 通过结构解析数据
    printf("ID: %d\n", packet.parsed.id);
    printf("Flag: %d\n", packet.parsed.flag);
    printf("Checksum: %d\n", packet.parsed.checksum);

    return 0;
}