Union（共用体）教程

在 C/C++ 中，union（共用体）是一种特殊的数据结构，其核心特点是所有成员共享同一块内存空间，而非像结构体（struct）那样为每个成员分配独立内存。这意味着共用体的大小由其占用内存最大的成员决定，且修改一个成员会覆盖其他成员的值。

一、基本定义与语法

共用体通过 union 关键字声明，语法与结构体类似，成员间用逗号分隔，末尾需加分号。

语法格式

union 共用体名 {
    数据类型1 成员名1;
    数据类型2 成员名2;
    // ... 其他成员
};

示例：定义并使用共用体

#include <stdio.h>

// 定义共用体，成员共享内存
union Data {
    int i;      // 4字节（通常）
    float f;    // 4字节（通常）
    char c;     // 1字节
};

int main() {
    union Data data;
    // 1. 查看共用体大小（由最大成员决定，此处为4字节）
    printf("共用体大小：%zu 字节\n", sizeof(data));  // 输出：4 字节

    // 2. 赋值并访问成员（修改一个成员会覆盖其他成员）
    data.i = 0x12345678;  // 给int成员赋值（十六进制）
    printf("data.i = %#x\n", data.i);       // 输出：0x12345678
    printf("data.c = %#x\n", data.c);       // 输出：0x78（仅取内存低1字节）

    data.f = 3.14f;       // 给float成员赋值，覆盖int成员的内存
    printf("data.f = %.2f\n", data.f);      // 输出：3.14
    printf("data.i = %#x\n", data.i);       // 输出：随机值（内存已被float覆盖）

    return 0;
}

二、核心特性：内存共享

1. 内存共用：所有成员的首地址相同，共用同一块内存，修改一个成员会直接覆盖其他成员的内存数据（因为内存被复用）。
   例：上述代码中，data.i 赋值后，data.c 只能读取 data.i 内存的低1字节；赋值 data.f 后，data.i 的值因内存被覆盖而失效。

2. 大小由最大成员决定：共用体的总内存大小 = 其最大成员的内存大小（需考虑内存对齐，与结构体对齐规则一致）。
   例：若共用体包含 char（1字节）和 double（8字节），则共用体大小为 8 字节。

3. 同一时间只能用一个成员：因内存共享，同一时刻只能安全访问“最近赋值的成员”，访问未赋值的成员会得到无意义的垃圾值。

三、常见使用场景

共用体的核心价值是节省内存，适用于“同一内存区域在不同场景下存储不同类型数据”的场景：

1. 节省内存（内存受限场景）

当数据不会同时使用时，用共用体替代结构体，减少内存占用。
例：存储“学生信息”，学生要么填“学号（int）”，要么填“临时编号（char[10]）”，二者不同时使用：

union ID {
    int student_id;    // 学号（4字节）
    char temp_id[10];  // 临时编号（10字节）
};

struct Student {
    char name[20];
    union ID id;       // 共用体节省内存，避免同时存储两种编号
};

2. 访问同一内存的不同类型

通过不同类型的成员，解析同一块内存的二进制数据（常用于底层数据处理，如硬件寄存器、数据格式转换）。
例：将 int 类型的4字节内存，按字节拆分读取：

union IntByte {
    int i;
    char bytes[4];  // 用char数组拆分int的4个字节
};

int main() {
    union IntByte ib;
    ib.i = 0x11223344;
    // 按字节输出int的4个部分（小端机器下，低字节存低地址）
    for (int j = 0; j < 4; j++) {
        printf("字节%d：%#x\n", j, ib.bytes[j]);  // 输出：0x44、0x33、0x22、0x11
    }
    return 0;
}

3. 与结构体结合实现“变体类型”

通过“结构体+共用体”，实现类似“多类型数据”的存储（如C++的variant简化版）。
例：存储“不同类型的消息”，消息要么是int，要么是char*：

// 标记消息类型
enum MsgType { INT_MSG, STR_MSG };

struct Message {
    enum MsgType type;  // 标记当前共用体使用的成员
    union Content {     // 消息内容，二选一
        int num;
        char* str;
    } content;
};

// 使用时通过type判断成员类型，避免访问错误
void printMsg(struct Message msg) {
    if (msg.type == INT_MSG) {
        printf("整数消息：%d\n", msg.content.num);
    } else if (msg.type == STR_MSG) {
        printf("字符串消息：%s\n", msg.content.str);
    }
}

四、与结构体（struct）的区别

五、注意事项

1. 避免同时访问多个成员：因内存共享，未赋值的成员值是垃圾值，访问会导致逻辑错误。
2. 成员的初始化：共用体只能初始化第一个成员（C语言），或通过指定成员初始化（C++11及以后）。
   例：union Data d = {10};（初始化第一个成员i）；C++中可写union Data d = {.f = 3.14f};。
3. 不支持引用成员：C/C++中，共用体的成员不能是引用（引用必须绑定唯一对象，与内存共享冲突）。
4. 内存对齐：共用体的对齐规则与结构体一致，需注意成员类型的对齐要求（如char和double组成的共用体，会按double的8字节对齐）。
5. C++中的扩展：C++中，共用体可包含有构造函数/析构函数的成员（需手动管理生命周期），但C语言不支持。

六、总结

• union 的核心是内存共享，目的是节省内存，适用于“同一内存区域存储不同类型数据”的场景。
• 使用时需通过“类型标记”（如枚举）明确当前访问的成员，避免数据覆盖导致的错误。
• 与结构体的本质区别是“内存是否共享”，需根据数据是否“同时存在”选择使用。