联合体（Union）

联合体（Union）简介

联合体（union）是 C 和 C++ 编程语言中的一种数据结构，和结构体（struct）类似，但有一些重要的区别。

定义

• 联合体中的所有成员共享同一段内存，也就是说，联合体中的多个成员变量会占用相同的地址，但是在任何一个时间点只能存储一个成员的值。

1. 联合体的定义和语法

定义语法

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

示例

union Example {
    int i;       // 整数，占用 4 字节
    float f;     // 浮点数，占用 4 字节
    char c;      // 字符，占用 1 字节
};

• 这里的联合体 Example 包含了 3 个成员：
  • 一个整数 i，占用 4 字节。
  • 一个浮点数 f，占用 4 字节。
  • 一个字符 c，占用 1 字节。
• 存储特点：
  • 联合体的总大小取决于它的最大成员所需的内存大小（这里是 4 字节，因为 int 和 float 都占 4 字节）。

2. 联合体的内存分配

内存共享特点

• 联合体中的所有成员都共享同一块内存，因此：
  • 写入一个成员会覆盖其他成员的值。
  • 在任意时刻，联合体中只能存储一个有效值。

示例

union Example {
    int i;       // 整数，占用 4 字节
    float f;     // 浮点数，占用 4 字节
    char c[4];   // 字符数组，占用 4 字节
};
union Example ex;
ex.i = 42;      // 写入整数 42
printf("i: %d\n", ex.i);    // 输出 i 的值：42
ex.f = 3.14;    // 写入浮点数 3.14
printf("f: %.2f\n", ex.f);  // 输出 f 的值：3.14
printf("i: %d\n", ex.i);    // 输出 i 的值：此时 i 的值已被覆盖

输出

i: 42
f: 3.14
i: 1078523331   // i 的值被 f 的写入覆盖，解释为浮点数的二进制形式

3. 联合体的用途

3.1 内存节省

• 联合体非常适合需要节省内存的场景。
• 由于多个成员共享同一段内存，可以显著减少内存占用。

3.2 数据转换

• 联合体常用于类型转换，允许以不同的方式访问同一块数据。

示例：浮点数与二进制表示的转换

#include <stdio.h>
union FloatToBits {
    float f;
    unsigned int bits;
};
int main() {
    union FloatToBits data;
    data.f = 3.14;   // 写入浮点数
    printf("Float: %.2f\n", data.f);          // 输出浮点数
    printf("Bits: 0x%X\n", data.bits);        // 输出二进制表示
    return 0;
}

输出

Float: 3.14
Bits: 0x4048F5C3

• 同一块内存可以通过 data.f 访问为浮点数，通过 data.bits 访问为其二进制位。

4. 联合体的常见用途

4.1 数据协议处理

• 联合体常用于解析二进制数据流。例如，在通讯协议中，可以通过联合体将字节流解析为特定的数据结构。

示例：解析 16 位数据的高低字节

union Data16 {
    unsigned short full;  // 16 位数据
    struct {
        unsigned char low;  // 低字节
        unsigned char high; // 高字节
    } parts;
};
int main() {
    union Data16 data;
    data.full = 0x1234; // 写入 16 位数据
    printf("Full: 0x%X\n", data.full);      // 输出完整值
    printf("High: 0x%X\n", data.parts.high); // 输出高字节
    printf("Low: 0x%X\n", data.parts.low);   // 输出低字节
    return 0;
}

输出

Full: 0x1234
High: 0x12
Low: 0x34

应用场景

• 网络协议：
  • 在网络通讯中，经常需要解析协议头部，例如 IP 包头、TCP 包头等，联合体可以方便地拆解字段。
• 嵌入式开发：
  • 在嵌入式系统中，用联合体将字节序列解析为多字节变量（如 int 或 float）。

4.2 硬件寄存器操作

• 联合体可以用于操作硬件寄存器，通过联合体直接访问寄存器的特定位。

示例：32 位寄存器的分段访问

union Register {
    unsigned int value;  // 寄存器的完整值
    struct {
        unsigned char byte0;  // 第 0 字节
        unsigned char byte1;  // 第 1 字节
        unsigned char byte2;  // 第 2 字节
        unsigned char byte3;  // 第 3 字节
    } bytes;
};
int main() {
    union Register reg;
    reg.value = 0x12345678; // 写入寄存器值
    printf("Byte 0: 0x%X\n", reg.bytes.byte0); // 输出低字节
    printf("Byte 1: 0x%X\n", reg.bytes.byte1); // 输出次低字节
    printf("Byte 2: 0x%X\n", reg.bytes.byte2); // 输出次高字节
    printf("Byte 3: 0x%X\n", reg.bytes.byte3); // 输出高字节
    return 0;
}

输出

Byte 0: 0x78
Byte 1: 0x56
Byte 2: 0x34
Byte 3: 0x12

5. 联合体与结构体的区别

6. 注意事项

1. 数据覆盖：
   • 由于所有成员共享内存，当你写入一个成员时，会覆盖其他成员的值。
   • 使用联合体时要非常小心，确保对成员的访问逻辑正确。
2. 对齐与大小：
   • 联合体的大小由其最大成员的大小决定，并可能受到编译器对齐（padding）的影响。
3. 联合体与类型安全：
   • 联合体没有类型检查机制，读写不同类型的成员时可能导致不安全行为。

7. 总结

• 联合体是 C/C++ 中的一种高级数据类型，适用于节省内存、数据解析和类型转换等场景。
• 其核心特点是成员共享同一段内存，这既带来了灵活性，也对程序员提出了更高的使用要求。
• 常见用途包括：
  1. 数据协议解析（如解析高低字节）。
  2. 硬件寄存器操作。
  3. 浮点数与二进制位的转换。
  4. 节省内存空间的场景。

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