union 的定义和基本结构以及用途

在 C 语言中，union（联合体） 是一种数据结构，它允许多个成员共享相同的内存空间。换句话说，联合体中的所有成员都存储在同一块内存区域，不同的成员会占用相同的内存地址，但在同一时刻只能保存一个成员的值。

1. union 的定义和基本结构

定义 union 的语法与 struct 类似，但在 union 中，所有成员共享同一块内存区域，而在 struct 中，每个成员都有自己独立的内存空间。

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

这个 union Data 包含三个成员：i（整型）、f（浮点型）、str（字符数组）。在内存中，i、f 和 str 是共享同一块存储空间的，因此它们不能同时保存值。

2. union 的内存分配

在 union 中，分配的内存大小等于最大成员的大小。例如：

union Data {
   int i;        // 占 4 字节
   float f;      // 占 4 字节
   char str[20]; // 占 20 字节
};

• 联合体 Data 的大小是 20 字节（str[20] 是最大的成员），所有成员都共享这 20 字节的内存。

3. 如何使用 union

你可以像结构体一样定义和访问 union 的成员。注意，一次只能使用一个成员，并且最后存入的值会覆盖之前的值。

#include <stdio.h>
#include <string.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 : %f\n", data.f);

   strcpy(data.str, "Hello");
   printf("data.str : %s\n", data.str);

   return 0;
}

在这段代码中，data.i 最先被赋值为 10，然后 data.f 被赋值为 220.5，最后 data.str 被赋值为 "Hello"。注意，当 str 被赋值后，之前的 i 和 f 的值都被覆盖。

4. union 的用途

union 通常用于节省内存，尤其在硬件编程或底层系统开发中，常用于处理以下场景：

4.1 节省内存

如果你有多个数据类型，但这些类型不会同时使用，可以通过 union 节省内存。例如在嵌入式系统中，数据存储空间非常有限，你可以使用 union 存储多种不同的类型。

4.2 数据类型的重解释

union 允许你以不同的方式解释相同的内存。这在需要对数据进行不同类型的访问时非常有用。

例如，当你想通过字节数组访问一个整数的字节内容时，可以使用 union：

union IntByte {
   int i;
   unsigned char bytes[4];
};

int main() {
   union IntByte data;
   data.i = 0x12345678;

   printf("Bytes: %x %x %x %x\n", data.bytes[0], data.bytes[1], data.bytes[2], data.bytes[3]);
   return 0;
}

这段代码允许你查看整数 0x12345678 在内存中的字节表示。

4.3 硬件寄存器访问

在嵌入式系统中，经常需要访问硬件寄存器，寄存器通常可以用 union 来表示。硬件寄存器有时既可以按位访问，也可以按字节或整块访问，使用 union 可以同时处理这些不同的访问方式。

例如：

union Register {
    uint32_t full;
    struct {
        uint8_t byte1;
        uint8_t byte2;
        uint8_t byte3;
        uint8_t byte4;
    };
};

这段代码允许你通过 full 访问整个 32 位寄存器，也可以分别访问每个 8 位字节。

4.4 变体数据结构

在一些协议栈或者文件格式中，你可能需要存储多种类型的数据，但在一次操作中只使用其中一种。例如，一个网络协议包可能包含多个不同类型的字段，你可以使用 union 来表示这些字段，从而在解析时节省内存。

5. union 的局限性

• 同时只能存储一个值 ：联合体中的所有成员共享相同的内存空间，因此在任一时刻只能存储一个成员的值。如果你想同时使用多个值，就需要考虑使用 struct。
• 调试复杂性：由于不同的成员共享同一片内存，因此调试时可能不容易区分哪个成员当前有效。

6. 总结

union 是一种允许多个成员共享同一块内存的结构体，常用于节省内存或需要以不同方式解释相同内存时。它在嵌入式系统、硬件编程和数据解析方面非常有用，但要注意它一次只能保存一个有效的值，并且在使用中需要小心，以防止未定义的行为。