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C语言——共用体

news 来源：原创 2025/6/19 14:02:01

一、共用体的基本概念

1. 定义与语法

2. 内存布局

二、共用体的使用场景

1. 节省内存

2. 类型双关（Type Punning）

3. 解析二进制数据

三、共用体与结构体的对比

四、共用体的注意事项与潜在陷阱

1. 数据覆盖风险

2. 字节对齐问题

五、高级技巧：匿名共用体

六、总结

在 C 语言中，共用体（Union）是一种特殊的数据类型，它允许你在相同的内存位置存储不同的数据类型。与结构体（Struct）相比，共用体的内存使用更加高效，但也带来了不同的使用方式和注意事项。本文将深入探讨 C 语言共用体的特性、使用场景以及潜在的陷阱。

一、共用体的基本概念

1. 定义与语法

共用体的定义与结构体类似，但使用关键字 union。其基本语法如下：

union UnionName {type1 member1;type2 member2;// ... 其他成员
};

与结构体不同的是，共用体的所有成员共享同一块内存空间，因此共用体的大小取决于其最大成员的大小。

2. 内存布局

考虑以下共用体示例：

union Data {int i;       // 假设int占4字节float f;     // 假设float占4字节char str[8]; // 字符数组占8字节
};

这个共用体的大小为 8 字节，因为str成员是最大的成员。所有成员都从相同的内存地址开始存储：

i 和 f 使用前 4 字节
str 使用全部 8 字节

注意：修改一个成员会覆盖其他成员的值，因为它们共享内存。

二、共用体的使用场景

1. 节省内存

当需要存储不同类型的数据，但同一时间只使用其中一种类型时，共用体可以显著节省内存。例如，在嵌入式系统或内存受限的环境中，这种优化尤为重要。

// 节省内存的示例：存储不同类型的配置参数
union ConfigValue {int int_val;float float_val;char* str_val;
};struct ConfigItem {char* name;int type; union ConfigValue value;
};

该共用体大小为4字节，而结构体大小为12字节，使用共用体可显著节省内存。

2. 类型双关（Type Punning）

共用体可以用于实现类型双关，即通过不同类型访问同一块内存。这在需要直接操作二进制数据时非常有用，例如：

// 类型双关示例：查看整数的字节表示
union IntBytes {int num;unsigned char bytes[4];
};void print_int_bytes(int num) {union IntBytes converter;converter.num = num;for (int i = 0; i < 4; i++) {printf("Byte %d: 0x%02X\n", i, converter.bytes[i]);}
}

3. 解析二进制数据

共用体常用于解析不同格式的二进制数据，例如网络协议或文件格式：

// 解析二进制数据示例：IP地址
union IPAddress {unsigned int ip_int;          // 32位整数表示unsigned char ip_bytes[4];    // 4字节数组表示
};

三、共用体与结构体的对比

特性	结构体（Struct）	共用体（Union）
内存分配	每个成员拥有独立的内存空间	所有成员共享同一块内存空间
大小计算	结构体大小 = 所有成员大小之和 + 填充	共用体大小 = 最大成员的大小
成员访问	所有成员可同时访问	同一时间只能访问一个成员
数据覆盖	不会发生数据覆盖	修改一个成员会覆盖其他成员的值
典型用途	存储关联但类型不同的数据	节省内存或实现类型双关

四、共用体的注意事项与潜在陷阱

1. 数据覆盖风险

由于共用体的所有成员共享内存，修改一个成员会覆盖其他成员的值。因此，使用共用体时必须明确当前存储的是哪种类型的数据。

union Data {int i;float f;
};union Data d;
d.i = 42;       // 存储整数
printf("%d\n", d.i);  // 正确输出：42d.f = 3.14f;    // 覆盖内存，修改浮点数
printf("%d\n", d.i);  // 错误输出：可能是随机值

2. 字节对齐问题

共用体的大小通常是其最大成员的大小，但可能会因字节对齐而有所增加。例如：

union AlignExample {char c;         // 1字节double d;       // 8字节（假设）
};

这个共用体的大小通常是 8 字节，因为double需要 8 字节对齐。

五、高级技巧：匿名共用体

C 语言允许使用匿名共用体，即在结构体或其他类型中直接嵌入共用体而不命名：

struct Packet {int type;union {struct { int id; char* name; } user;struct { int id; float value; } sensor;};
};// 使用匿名共用体
struct Packet p;
p.type = 1;  // 用户类型
p.user.id = 1001;
p.user.name = "John";

匿名共用体的成员可以直接通过外部结构体访问，无需中间的共用体名称。