C/C++ union联合体介绍
文章参考：https://blog.csdn.net/mooneve/article/details/92703036
目录
1. 联合体union简介
union是在某种程序上类似结构体struct的一种数据结构，union也可以包含很多种数据类型和变量，区别在于：
- 结构体中所有变量是共存的，内存空间的分配是粗放的，不管用不用，都会分配；
- union中个变量是互斥的，任何两个成员不会同时有效，内存使用更精细灵活，节省内存空间。
当多个数据需要共享内存或者多个数据每次只取其一时，可以利用联合体。
在《C Programming Language》中对联合体union的描述：
- 联合体是一个结构体；
- 它的所有成员相对于基地址的偏移量是0；
- 此结构空间要大到足够容纳最宽的成员；
- 其内存对齐方式要适合其中所有的成员；
联合体union定义形式如下：
union 名称{
public: // 默认为public，可不写
公有成员
protected:
保护成员
privated:
私有成员
};
示例，无名联合体声明和使用
union{
int i;
float f;
}
i=1;
f=1.2;
示例：使用联合体管理成绩信息
/**
* @file 1unioc.cpp
* @author zoya ([email protected])
* @brief 联合体使用：使用联合体保存信息并数据
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-08
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class ExamGradeInfo
{
private:
string name; // 课程名
enum
{
LEVEL,
PASS,
GRADE,
} mode; // 计分方式
union
{
char level; // 等级表示成绩 A/B/C等
bool pass; // 只计算是否通过
int grade; // 具体的分数
};
public:
ExamGradeInfo();
ExamGradeInfo(string name, char level) : name(name),
mode(ExamGradeInfo::LEVEL),
level(level)
{
}
ExamGradeInfo(string name, bool pass) : name(name),
mode(ExamGradeInfo::PASS),
pass(pass)
{
}
ExamGradeInfo(string name, int grade) : name(name),
mode(ExamGradeInfo::GRADE),
grade(grade)
{
}
void show()
{
cout << name << ":";
switch (mode)
{
case ExamGradeInfo::LEVEL:
cout << level << endl;
break;
case ExamGradeInfo::PASS:
cout << (pass?"PASS":"FAILE") << endl;
break;
case ExamGradeInfo::GRADE:
cout << grade << endl;
break;
default:
break;
}
}
};
int main()
{
ExamGradeInfo course1("english", 'B');
ExamGradeInfo course2("math", true);
ExamGradeInfo course3("C", 60);
course1.show();
course2.show();
course3.show();
return 0;
}
运行显示结果：
english:B
math:PASS
C:60
2. 联合体union内存分配与所占空间
联合体所占的空间不仅取决于最宽成员，还跟所有成员有关系，其大小必须满足两个条件：
- 大小足够容纳最宽的成员；
- 大小能被其包含的所有的基本数据类型的大小整除。
示例：测试如下联合体所占的大小：
/**
* @file 2union.c
* @author zoya ([email protected])
* @brief 测试联合体所占内存大小
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-08
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/
#include <stdio.h>
int main()
{
union u1
{
int n;
char s[5];
double f;
};
union u2
{
int n;
char s[9];
double f;
};
u1 tmp1;
u2 tmp2;
printf("sizeof(int) = %ld, sizeof(char) = %ld, sizoef(douvle) = %ld\n", sizeof(int), sizeof(char), sizeof(double));
printf("sizeof(u1) = %ld, sizeof(u2) = %ld\n", sizeof(tmp1), sizeof(tmp2));
printf("u1各个变量的地址, &u1 : 0x%x, &u1.n : 0x%x, &u1.s : 0x%x, &u1.f : 0x%x\n",
&tmp1, &tmp1.n, tmp1.s, &tmp1.f);
printf("u2各个变量的地址, &u2 : 0x%x, &u2.n : 0x%x, &u2.s : 0x%x, &u2.f : 0x%x\n",
&tmp2, &tmp2.n, tmp2.s, &tmp2.f);
return 0;
}
运行结果：
sizeof(int) = 4, sizeof(char) = 1, sizoef(douvle) = 8
sizeof(u1) = 8, sizeof(u2) = 16
u1各个变量的地址, &u1 : 0x5ec19748, &u1.n : 0x5ec19748, &u1.s : 0x5ec19748, &u1.f : 0x5ec19748
u2各个变量的地址, &u2 : 0x5ec19750, &u2.n : 0x5ec19750, &u2.s : 0x5ec19750, &u2.f : 0x5ec19750
对联合体u1，n占4字节，f占8字节，s占5字节，u1最多占用8个字节，所以sizoef(u1)=8；
对联合体u2，n占4字节，f占8字节，s占9字节，最多占用了9字节，但是9字节不能被double所占的8字节整除，所以就会扩充到16字节，所以sizeof(u2) = 16；
另外，还可以发现联合体中各个变量的地址都是相同的。
3. 联合体union的优缺点
联合体的优点：多种访问内存的手段可以灵活读取任意部分的数据，也可整体进行赋值。在某些寄存器或通道大小有限制的情况下，可以分多次搬运；
联合体的缺点，由于所有变量都能使用，容易使用错误的变量造成逻辑错误。
示例：通过改变联合体中其中一个变量的值，操作共享到其它变量：
/**
* @file 3union.c
* @author zoya ([email protected])
* @brief 通过改变union中某一个变量的值来操作其它变量的改变
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-09
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/
#include <stdio.h>
int main()
{
union
{
short nval;
char bval[2];
};
nval = 0x0102;
printf("联合体内存地址：0x%x\n", &nval);
printf("nval(0x%x) = 0x%04x, bval[0](0x%x) = 0x%02x, bval[1](0x%x) = 0x%02x\n", &nval, nval, &bval[0], bval[0], &bval[1], bval[1]);
bval[0] = 0x03;
printf("nval(0x%x) = 0x%04x, bval[0](0x%x) = 0x%02x, bval[1](0x%x) = 0x%02x\n", &nval, nval, &bval[0], bval[0], &bval[1], bval[1]);
return 0;
}
运行结果：
联合体内存地址：0x6427da16
nval(0x6427da16) = 0x0102, bval[0](0x6427da16) = 0x02, bval[1](0x6427da17) = 0x01
nval(0x6427da16) = 0x0103, bval[0](0x6427da16) = 0x03, bval[1](0x6427da17) = 0x01
因为测试机电脑是小段字节序的(高位数据存储在高位内存地址，低位数据存储在低位内存地址)，bval[0]所在的地址是低位内存地址(0x6427da16)，bval[1]所在地址是高位内存地址(0x6427da17)，所以分别存储的是0x02、0x01。
根据运行结果可以看出来，改变其中一个变量，那么另一个变量也会对应改变。
4. 联合体union的应用
- 判断电脑字节序
根据联合体的这一特点，还可以判断电脑是小端字节序还是大端字节序，如下：
/**
* @file byteorder.c
* @author your name ([email protected])
* @brief 通过代码检测当前主机的字节序
* @version 0.1
* @date 2022-10-08
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/
#include <stdio.h>
int main()
{
union
{
short value; // 2字节
char bytes[sizeof(short)]; // 2字节数组
} test;
test.value = 0x0102;
if (0x01 == test.bytes[0] && 0x02 == test.bytes[1])
{
printf("大端字节序\n");
}
else if (0x02 == test.bytes[0] && 0x01 == test.bytes[1])
{
printf("小端字节序\n");
}
else
{
printf("未知\n");
}
}
-
寄存器读取
假设有一个I2C的温度控制寄存器，该寄存器是10位有效，需要读取该寄存器的值。但是I2C的数据传输是按照8bit的，每个时序只能接收8bit数据，只有使用char或unsigned char型接收数据，并且要接收2次。
传统的做法是声明一个char数组，包含2个元素，接收到数据后再通过计算给到一个short或int整数。
通过使用联合体也可以实现，使用联合体不用考虑各种转换问题，并且如果寄存器的有效位改变，也不用更改太多代码。
如下示例：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> int main() { // 传统的做法 char bval[2] = {0}; // 通过读取获取到寄存器的值,假设bval[0] = 02,bval[0] = 0x01 bval[0] = 0x02; bval[1] = 0x07; // 转换为整型 int nval = bval[0] | ((bval[1] & 0x03) << 8); // &0x03是因为10位有效 printf("nval = 0x%x\n", nval); // 使用联合体 union u1 { int val; char cval[sizeof(int)]; }; u1 tmp; memset(&tmp, 0, sizeof(tmp)); tmp.cval[0] = 0x02; tmp.cval[1] = 0x07; printf("val = 0x%x\n", tmp.val & 0x3ff); // &0x3ff是因为10位有效 // 寄存器的有效位改变，17位有效 tmp.cval[0] = 0x02; tmp.cval[1] = 0x07; tmp.cval[2] = 0x1f; printf("val = 0x%x\n", tmp.val & 0x1ffff); // 0x1ffff是因为17位有效 }程序运行：
nval = 0x302 val = 0x302 val = 0x10702