每日一个C语言知识：C 共用体

什么是共用体？

共用体是一种特殊的数据类型，它允许您在不同的时间（不是同时）存储不同类型的数据。它的所有成员共享同一块内存空间。

核心思想： 共用体中所有成员的起始地址都是相同的。这意味着，修改一个成员的值，会直接影响其他成员的值。

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如何定义共用体？

使用 union 关键字来定义，语法与结构体 struct 非常相似。

union 共用体名称 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    // ... 更多成员
};

示例：定义一个共用体

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

在这个例子中：

• union Data 类型的一个变量将占用 20个字节 的内存空间（因为它的最大成员 str[20] 是20字节）。
• 这20个字节被三个成员 i, f, str 共享。

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如何使用共用体？

与结构体一样，使用成员运算符 . 来访问成员。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

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

int main() {
    union Data data; // 声明一个共用体变量

    // 使用整数成员
    data.i = 10;
    printf("data.i : %d\n", data.i); // 输出：data.i : 10

    // 使用浮点数成员
    data.f = 220.5;
    printf("data.f : %.2f\n", data.f); // 输出：data.f : 220.50
    // 注意：此时 data.i 的值已经被破坏，因为它和 data.f 共享内存

    // 使用字符数组成员
    strcpy(data.str, "C Programming");
    printf("data.str : %s\n", data.str); // 输出：data.str : C Programming
    // 注意：此时 data.i 和 data.f 的值都已被破坏

    return 0;
}

关键观察：

当你给 data.f 赋值后，之前存储在 data.i 中的值就变得无意义了。同样，当你给 data.str 赋值后，data.f 的值也被破坏了。因为它们都使用同一块内存。

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共用体 vs. 结构体

为了加深理解，我们来看一个与结构体的直观对比。

#include <stdio.h>

// 结构体
struct MyStruct {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

// 共用体
union MyUnion {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    struct MyStruct s;
    union MyUnion u;

    printf("结构体大小 : %lu 字节\n", sizeof(s));
    printf("共用体大小 : %lu 字节\n", sizeof(u));

    return 0;
}

输出可能是：

结构体大小 : 28 字节
共用体大小 : 20 字节

为什么？

• 结构体： 每个成员都有自己独立的内存空间。s.i, s.f, s.str 的地址都不同。总大小是所有成员大小之和（可能加上一些对齐填充）。
• 共用体： 所有成员共享同一块内存。总大小由其最大成员 的大小决定（这里是20字节的str）。

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共用体的主要用途

1. 节省内存：当你知道一个变量在程序的不同阶段会用于存储不同类型的数据，并且这些数据不会同时需要时，使用共用体可以大幅节省内存。这在嵌入式系统等内存受限的环境中尤其重要。

2. 解释同一数据的多种方式 ：例如，你可以用一个共用体来将一个4字节的 int 数据，按照 char 数组的方式逐个字节地解析和处理。

   union IntConverter {
       int number;
       unsigned char bytes[4];
   };
   
   union IntConverter converter;
   converter.number = 0x12345678;
   
   // 现在你可以通过 bytes 数组访问整数的每一个字节
   for(int i = 0; i < 4; i++) {
       printf("Byte %d: 0x%02X\n", i, converter.bytes[i]);
   }

3. 实现变体记录：在通信协议或文件格式中，一个数据包可能根据"类型"字段的不同，后面跟着不同类型的数据。共用体可以完美地模拟这种情况。

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注意事项（重要！）

• 只能使用一个成员：在某一时刻，只有一个成员是有效的。你最后一次赋值的成员才是那个你可以正确读取的成员。

• 未定义行为：读取一个你没有写入的成员，其结果是未定义的（可能得到垃圾值，也可能导致程序崩溃）。

• 初始化 ：只能初始化共用体的第一个成员 。

  union Data data = {10}; // 正确，初始化 i 为 10
  // union Data data = {3.14}; // 错误！不能这样初始化 f

总结

特性	结构体	共用体
关键字	struct	union
内存	成员内存独立	成员内存共享
总大小	所有成员大小之和 + 对齐填充	最大成员的大小 + 对齐填充
用途	存储一组相关的、同时存在的数据	存储一组互斥的、不同时存在的数据

共用体是C语言中"用空间换时间"以及进行底层数据操作的精妙工具。理解并正确使用它，能让你的程序更加高效和灵活。