深入理解计算机系统记录

在 C 语言中，struct（结构体）和 union（联合体）都是用来存储多个不同类型的数据成员，但它们在内存分配和数据存储方式上有显著区别。下面详细说明它们的主要区别：

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1. 内存分配

• 结构体（struct）：
  每个成员都占用独立的内存空间，结构体变量的总大小至少是所有成员大小的和（可能由于内存对齐规则会有额外的填充字节）。
  例如，定义如下结构体：

  struct MyStruct {
      int a;
      char b;
      float c;
  };
  

  如果 int 为 4 字节，char 为 1 字节，float 为 4 字节，加上可能的内存对齐，总大小通常为 12 字节或 16 字节。

• 联合体（union）：
  所有成员共用同一块内存，联合体变量的大小等于最大成员的大小。
  定义如下联合体：

  union MyUnion {
      int a;
      char b;
      float c;
  };
  

  如果 int 和 float 均为 4 字节，而 char 为 1 字节，则整个联合体大小为 4 字节。注意，同一时刻只能存储其中一个有效成员的值。

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2. 数据存储和访问

• 结构体（struct）：
  每个成员都有自己独立的存储区域，可以同时存储和访问所有成员的数据。例如：

  struct MyStruct s;
  s.a = 10;
  s.b = 'A';
  s.c = 3.14f;
  

  这种方式适用于当你需要同时处理多个数据项时。

• 联合体（union）：
  因为所有成员共享同一块内存，所以在任一时刻只能保存一个成员的有效数据。修改一个成员会影响其他成员的值。例如：

  union MyUnion u;
  u.a = 10;
  // 如果此时读取 u.c，结果是不确定的，因为 u.a 和 u.c 共用内存
  

  联合体常用于节省内存，或者实现多种数据类型的解释（例如创建一个多用途的数据结构）。

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3. 使用场景

• 结构体（struct）：

  • 当需要同时存储和访问多个彼此独立的数据项时使用。
  • 适用于描述复合数据（如定义一个学生、员工等信息结构）。

• 联合体（union）：

  • 当内存占用较为紧张，且某一时刻只需要一个数据成员的有效值时使用。
  • 常用于实现变长数据格式、多种数据类型的消息解析等场景。

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4. 内存对齐和填充

• 结构体（struct）：
  由于每个成员有独立的内存空间，编译器可能会插入填充字节以满足内存对齐要求，从而提高访问效率。

• 联合体（union）：
  联合体的内存大小仅取决于最大成员的大小和对齐要求，因此不会有额外的填充问题。

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总结

• 内存分配：

  • Struct 为每个成员分配独立内存，总大小为各成员大小之和（加上对齐填充）。
  • Union 所有成员共享内存，总大小为最大成员大小。

• 数据存储：

  • Struct 可以同时存储多个数据项；
  • Union 同一时刻只能存储一个数据项。

因此，根据你的具体需求选择使用结构体还是联合体。需要同时存储所有字段信息时使用结构体，需要节省内存或需要按照不同数据类型解释资源时使用联合体。