C/C++联合体(union)完全指南：从内存共享到高级用法

1. 联合体基础概念

联合体(union)是一种特殊的数据类型，允许在相同内存位置存储不同的数据类型 ，但同一时间只能使用一个成员。

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

核心特性

所有成员共享同一块内存
大小由最大成员决定
同一时间只有一个成员有效
常用于节省内存 或类型转换场景

2. C语言中的联合体

2.1 基本用法

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union Number {
    int integer;
    float real;
};

union Number num;
num.integer = 10;    // 此时存储的是整数
printf("%d", num.integer);

num.real = 3.14;     // 现在存储的是浮点数，整数值被覆盖
printf("%f", num.real);

2.2 内存布局示例

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union {
    int a;    // 占用4字节
    char b;   // 占用1字节（与a共享前1字节）
} u;

3. C++中的联合体增强

3.1 成员函数（C++11起）

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union SmartUnion {
    int x;
    double y;
    
    void printX() { cout << x; }  // C++允许成员函数
};

3.2 带构造函数/析构函数的类成员（C++11）

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union ComplexUnion {
    std::string str;  // 可以包含非POD类型（需要手动管理）
    int num;
    
    ComplexUnion() {}  // 需要自定义构造/析构
    ~ComplexUnion() {}
};

4. 经典应用场景

4.1 类型转换

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union Converter {
    float f;
    unsigned int u;
} conv;

conv.f = 3.14;
printf("IEEE754表示: %X", conv.u);  // 查看浮点数的二进制表示

4.2 协议解析

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union Packet {
    struct {
        uint8_t header;
        uint16_t payload;
    } fields;
    uint8_t raw[3];  // 以字节数组形式访问
};

4.3 内存优化

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union Variant {
    int i;
    char c;
    // 共用4字节内存而不是4+1
};

5. 联合体vs结构体

特性	联合体(union)	结构体(struct)
内存使用	共享内存	每个成员独立内存
存储能力	只能存一个成员值	可存储所有成员值
大小计算	由最大成员决定	所有成员大小之和+对齐
访问控制	所有成员总是public	可设置访问权限

6. 高级技巧与注意事项

6.1 匿名联合体（C11/C++）

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struct Device {
    enum { INT, FLOAT } type;
    union {  // 匿名联合体
        int i;
        float f;
    };
};

Device d;
d.type = Device::FLOAT;
d.f = 2.718;  // 直接访问

6.2 类型双关(Type Punning)

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union {
    uint32_t bits;
    float value;
} converter;

converter.bits = 0x40490FDB;  // 直接操作二进制位
printf("%f", converter.value); // 输出3.141592

⚠️ 注意：C++中类型双关可能违反严格别名规则，推荐使用memcpy代替

6.3 联合体位域

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union StatusRegister {
    uint16_t raw;
    struct {
        uint16_t error : 1;   // 第0位
        uint16_t ready : 1;   // 第1位
        uint16_t : 14;        // 保留位
    } bits;
};

7. 实际工程中的坑

初始化问题：

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union U { int a; float b; };
union U u = { .a = 10 };  // C99指定初始化

C++非POD类型管理：

cpp 复制代码

union {
    std::string s;  // 必须手动管理生命周期
    int x;
} u;

new (&u.s) std::string("hello");  // 手动构造
u.s.~string();                    // 手动析构

字节序问题：

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union EndianTest {
    uint32_t num;
    uint8_t bytes[4];
} test = {0xAABBCCDD};
// 输出取决于平台字节序

8. C++17增强：带标签联合体

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#include <variant>  // C++17引入

std::variant<int, float, std::string> v;
v = 3.14f;  // 当前存储float
if (auto p = std::get_if<float>(&v)) {
    cout << *p;  // 安全访问
}

9. 总结

联合体是内存高效 但需要谨慎使用的工具：

✅ 适合：底层编程、协议解析、类型转换
❌ 避免：需要同时存储多个值的场景
⚠️ 注意：类型安全、生命周期管理问题