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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


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:

e3dafa3eeec1412e96917eeecc9736de.png

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:

3d583f4e39e64dc68941911398b217ce.png

内存示意图:

b16ccd9edfdc456b90a38494f16eb2bc.png

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:

27d3f4094b1e4a3ea66932aa6b76b618.png

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。

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