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【C++特殊工具与技术】联合：节省空间的类

news 来源：原创 2025/6/20 5:24:45

在 C++ 的类体系中，除了我们熟悉的struct和class，还有一种特殊的类类型 ——联合（Union）。它就像内存中的 “共享公寓”，所有成员共用同一块存储空间，这种特性让它在需要节省内存的场景中大放异彩。

目录

一、联合的定义：共享内存的类

1.1 基础语法与内存模型

1.2 与结构体的本质区别

二、联合的 “不能与必须”：成员的限制

2.1 不能有静态数据成员

2.2 不能有引用成员

2.3 成员的构造与析构限制（C++11 前）

三、联合的使用：同一时间只有一个 “有效成员”

3.1 成员的访问与赋值

3.2 典型应用场景：状态与数据的绑定

四、嵌套联合：联合中的联合

4.1 基础嵌套示例

4.2 嵌套联合的访问

五、匿名联合：没有名字的 “透明共享”

5.1 语法与特性

5.2 与命名联合的对比

5.3 应用场景：简化代码结构

六、联合的进阶：位域与类型双关

6.1 位域（Bit Field）与联合的结合

6.2 类型双关：安全与风险并存

七、联合的局限与现代替代方案

7.1 主要局限

7.2 现代替代方案：std::variant

八、总结 

一、联合的定义：共享内存的类

1.1 基础语法与内存模型

联合的定义语法与结构体（struct）非常相似，区别在于关键字union的使用。其核心规则是：所有数据成员共享同一块内存空间，因此联合的大小等于其最大成员的大小。

// 定义一个联合：存储整数、浮点数或字符
union ValueStorage {int int_val;    // 4字节（假设32位系统）float float_val;// 4字节char char_val;  // 1字节
};

可以通过sizeof验证其内存大小： 

#include <iostream>
using namespace std;int main() {ValueStorage vs;cout << "联合大小：" << sizeof(vs) << "字节" << endl; // 输出4（最大成员是int/float）return 0;
}

内存布局示意图：

+------------------+
|     Token        |
| +--------------+ |
| | 内存空间      | | 大小为 max(sizeof(char), sizeof(int), sizeof(double))
| | (共享区域)    | |
| +--------------+ |
+------------------+

关键特性：所有成员从相同地址开始存储，修改任一成员都会影响整个内存空间 

对齐规则：联合的大小必须是其最大成员对齐值的整数倍

union Alignment {char c;      // 大小1，对齐要求1int i;       // 大小4，对齐要求4double d;    // 大小8，对齐要求8
};
// sizeof(Alignment) = 8

内存布局示例：  

0   1   2   3   4   5   6   7
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| d (占据全部8字节)              |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| i (占据0-3字节)   | 空闲空间   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| c (占据0字节)     | 空闲空间   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+

1.2 与结构体的本质区别

结构体（struct）的成员是顺序存储的，总大小是各成员大小之和（考虑内存对齐）；而联合的成员是重叠存储的，总大小等于最大成员的大小。通过一个对比示例理解：

// 结构体：成员顺序存储
struct StructExample {int a;     // 4字节float b;   // 4字节（总大小8字节，无填充）char c;    // 1字节（总大小9字节，实际因对齐可能填充到12字节）
};// 联合：成员共享存储
union UnionExample {int a;     // 4字节float b;   // 4字节（总大小4字节）char c;    // 1字节（总大小4字节）
};

二、联合的 “不能与必须”：成员的限制

联合的共享内存特性，决定了它在成员类型上有严格限制。理解这些限制是正确使用联合的关键。

2.1 不能有静态数据成员

静态数据成员（static成员）属于类本身，不占用实例的内存空间。但联合的设计目标是 “实例级别的内存共享”，静态成员与这一目标矛盾。因此，联合中不能声明静态数据成员。 

union InvalidUnion {static int static_val; // 编译错误：联合不能有静态成员int normal_val;
};

2.2 不能有引用成员

引用（&）是对象的别名，必须在初始化时绑定到具体对象，且无法重新绑定。但联合的成员会共享内存，当切换成员时（如从int切换为float），引用可能指向无效的内存地址。因此，联合中不能声明引用成员。 

union InvalidUnion {int& ref_val; // 编译错误：联合不能有引用成员int normal_val;
};

2.3 成员的构造与析构限制（C++11 前）

在 C++11 标准之前，联合的成员不能是非平凡构造 / 析构类型（即需要编译器生成默认构造 / 析构函数的类型）。例如std::string（需要管理动态内存）、自定义类（含虚函数）等。这是因为联合无法保证成员的构造 / 析构顺序 —— 当一个成员被销毁时，其他成员可能正在使用同一块内存。 

// C++11前无效，C++11后需显式管理构造/析构
union StringUnion {std::string str; // C++11前编译错误int num;
};

 C++11 的改进：允许联合包含非平凡类型成员，但必须手动调用构造 / 析构函数。例如：

#include <string>
union ModernUnion {std::string str;int num;ModernUnion() { /* 需显式初始化其中一个成员 */ }~ModernUnion() { /* 需显式析构当前活动成员 */ }
};

三、联合的使用：同一时间只有一个 “有效成员”

联合的核心规则是：同一时间只能有一个成员是有效的。当写入一个成员时，之前写入的其他成员会被覆盖。

3.1 成员的访问与赋值

通过点运算符（.）或箭头运算符（->）访问联合成员，赋值时需明确当前使用的成员类型。 

ValueStorage vs;// 存储整数
vs.int_val = 1024;
cout << "整数：" << vs.int_val << endl; // 有效（输出1024）// 存储浮点数（覆盖之前的int_val）
vs.float_val = 3.14f;
cout << "浮点数：" << vs.float_val << endl; // 有效（输出3.14）
cout << "整数（无效）：" << vs.int_val << endl; // 未定义行为！// 存储字符（覆盖之前的float_val）
vs.char_val = 'A';
cout << "字符：" << vs.char_val << endl; // 有效（输出A）

注意：读取非当前写入的成员属于未定义行为（Undefined Behavior, UB）。编译器可能优化掉无效的读取操作，导致不可预测的结果。

3.2 典型应用场景：状态与数据的绑定

联合常用于 “状态枚举 + 关联数据” 的场景。例如，游戏中的角色可能有不同状态（移动、攻击、死亡），每种状态需要不同的附加数据。使用联合可以避免为每种状态单独分配内存。 

// 定义状态枚举
enum class CharacterState {Moving,   // 移动时需要目标坐标Attacking,// 攻击时需要攻击对象IDDead      // 死亡时不需要额外数据
};// 联合：存储不同状态的关联数据
union StateData {struct { int x; int y; } target_pos; // 移动目标坐标int attack_id;                        // 攻击对象ID
};// 角色状态结构体
struct Character {CharacterState state;StateData data;
};// 使用示例
Character hero;// 移动状态
hero.state = CharacterState::Moving;
hero.data.target_pos.x = 100;
hero.data.target_pos.y = 200;// 攻击状态（覆盖data的存储）
hero.state = CharacterState::Attacking;
hero.data.attack_id = 9527;

通过这种设计，StateData的大小等于最大成员的大小（target_pos是 8 字节，attack_id是 4 字节，因此StateData占 8 字节），相比为每种状态单独定义结构体（如MovingData、AttackingData）节省了内存。 

四、嵌套联合：联合中的联合

联合可以作为其他类或联合的成员，形成嵌套结构。这种设计能更灵活地组织复杂数据。

4.1 基础嵌套示例

// 定义一个嵌套联合
union NestedUnion {struct { // 结构体作为联合成员int year;int month;int day;} date;struct {int hour;int minute;int second;} time;long long timestamp; // 64位时间戳
};

这个联合可以存储日期（年 / 月 / 日）、时间（时 / 分 / 秒）或 64 位时间戳（如 Unix 时间）。其内存大小等于最大成员的大小：

  • date和time各占 12 字节（假设int为 4 字节，无内存对齐）；
  • timestamp占 8 字节（64 位系统）；
    因此联合总大小为 12 字节（受内存对齐影响可能更大）。

4.2 嵌套联合的访问

访问嵌套联合的成员时，需要逐层指定路径： 

NestedUnion nu;// 存储日期
nu.date.year = 2024;
nu.date.month = 5;
nu.date.day = 20;
cout << "日期：" << nu.date.year << "-" << nu.date.month << "-" << nu.date.day << endl;// 存储时间（覆盖date的存储）
nu.time.hour = 12;
nu.time.minute = 30;
nu.time.second = 45;
cout << "时间：" << nu.time.hour << ":" << nu.time.minute << ":" << nu.time.second << endl;

五、匿名联合：没有名字的 “透明共享”

C++ 支持匿名联合（Anonymous Union），即没有名称的联合。其成员直接成为外层作用域的成员，无需通过联合变量名访问。

5.1 语法与特性

匿名联合的声明不需要变量名，且成员必须是公有的（public），不能有成员函数。它通常用于类或结构体内部，隐藏实现细节。

struct Employee {enum { Salary, Hourly } payment_type;union { // 匿名联合double monthly_salary;  // 月薪（当payment_type为Salary时有效）double hourly_wage;     // 时薪（当payment_type为Hourly时有效）};
};

访问匿名联合的成员时，直接使用成员名：

Employee e;// 月薪制员工
e.payment_type = Employee::Salary;
e.monthly_salary = 15000.0;// 时薪制员工（覆盖monthly_salary）
e.payment_type = Employee::Hourly;
e.hourly_wage = 200.0;

5.2 与命名联合的对比

特性命名联合匿名联合
声明方式union Name { ... };union { ... };
成员访问通过联合变量名（如u.member）直接使用成员名（如member）
作用域独立作用域外层作用域
成员访问控制支持public/private只能是public

5.3 应用场景：简化代码结构

匿名联合常用于需要 “透明共享内存” 的场景，例如在类中封装不同类型的属性，同时保持接口简洁。例如，一个存储 “数值或字符串” 的容器类： 

class Variant {
public:enum Type { Int, String };Variant(int val) : type(Int) { int_val = val; }Variant(const char* str) : type(String) { // 注意：C++11前不能直接存储std::string，需手动管理内存strcpy(string_val, str); }int get_int() const { return int_val; }const char* get_string() const { return string_val; }private:Type type;union { // 匿名联合int int_val;char string_val[256]; // 假设字符串不超过255字符};
};

通过匿名联合，int_val和string_val直接成为Variant类的成员，外部调用get_int()或get_string()时无需关心内部存储细节。

六、联合的进阶：位域与类型双关

联合的共享内存特性使其在位操作和 类型双关（Type Punning）中非常有用。

6.1 位域（Bit Field）与联合的结合

位域用于指定成员占用的二进制位数，与联合结合可以高效操作二进制位。例如，一个存储 RGB 颜色值的结构： 

union Color {struct { // 位域结构体unsigned char r : 8; // 红色（8位）unsigned char g : 8; // 绿色（8位）unsigned char b : 8; // 蓝色（8位）} components;int rgb_value; // 32位整数（假设int为32位）
};

通过联合，可以同时以 “颜色分量” 或 “整数值” 的方式访问颜色数据：

Color c;
c.components.r = 255; // 红色全亮
c.components.g = 160; // 绿色中等
c.components.b = 0;   // 蓝色关闭
cout << "RGB整数值：" << c.rgb_value << endl; // 输出0xFFA000（假设小端序）

6.2 类型双关：安全与风险并存

类型双关指通过联合将同一块内存解释为不同类型。例如，将float的二进制位解释为int：

union FloatInt {float f;int i;
};FloatInt fi;
fi.f = 3.14f;
cout << "浮点数3.14的二进制表示（整数）：" << fi.i << endl; // 输出1078523331（具体值依赖浮点数编码）

注意：类型双关在 C++ 中属于未定义行为（违反严格别名规则）。虽然大多数编译器支持这种写法，但更安全的方式是使用reinterpret_cast或memcpy。 

七、联合的局限与现代替代方案

尽管联合在内存效率上表现优异，但它也有明显的局限性：

7.1 主要局限

  • 类型安全：联合不跟踪当前有效成员的类型，需要开发者手动管理（如配合枚举）。
  • 成员限制：C++11 前无法存储非平凡类型成员，C++11 后需手动管理构造 / 析构。
  • 可维护性：过度使用联合会导致代码可读性下降，尤其是嵌套联合和匿名联合。

7.2 现代替代方案：std::variant

C++17 引入的std::variant是联合的 “类型安全增强版”。它可以存储多种类型中的一种，并自动跟踪当前类型，避免未定义行为。 

#include <variant>
#include <string>
#include <iostream>using namespace std;int main() {variant<int, float, string> v; // 可存储int/float/stringv = 1024;       // 当前类型为intv = 3.14f;      // 当前类型为floatv = "hello";    // 当前类型为string// 安全访问当前类型if (auto p = get_if<string>(&v)) {cout << "字符串内容：" << *p << endl; // 输出hello}return 0;
}

std::variant的优势在于：

  • 自动跟踪当前类型，避免未定义行为；
  • 支持任意可拷贝构造的类型（包括非平凡类型）；
  • 提供安全的访问接口（如get<T>()、visit()）。 

八、总结

联合的核心价值是内存效率，适合以下场景：

  1. 内存敏感的嵌入式系统：在资源受限的环境中，联合可以显著减少内存占用。
  2. 与 C 语言兼容：处理 C 接口时，联合是保持数据结构一致的常用手段。
  3. 状态与关联数据的绑定：如游戏状态、通信协议解析（不同消息类型需要不同字段）。

尽管std::variant在类型安全上更优，但联合在性能和内存效率上仍不可替代。掌握联合的使用，是 C++ 程序员进阶的重要一步。

最后的思考：当你需要设计一个 “多类型数据容器” 时，会选择联合还是std::variant？欢迎在评论区分享你的经验！

附：联合关键知识点表格

特性说明
内存共享所有成员共用同一块内存，大小等于最大成员大小
成员限制无静态成员、无引用成员；C++11 前无复杂类型成员
有效成员规则同一时间只有一个成员有效，需手动管理状态
匿名联合成员直接作为外层作用域成员，无名称，只能公有
现代替代方案std::variant（类型安全，自动跟踪当前类型）

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