C语言的union怎么使用

# C语言的union怎么使用

## 1. union的基本概念

在C语言中，`union`（联合体）是一种特殊的数据类型，它允许在同一内存位置存储不同的数据类型。与`struct`（结构体）不同，`union`的所有成员共享同一块内存空间，这意味着任何时候只能有一个成员有效。

### 1.1 union的定义语法

```c
union UnionName {
    member_type1 member1;
    member_type2 member2;
    // ...
};

1.2 union与struct的区别

2. union的内存布局

2.1 内存分配原理

union的大小等于其最大成员的大小。例如：

union Example {
    int i;      // 4字节
    float f;    // 4字节
    char c;     // 1字节
};              // 总大小=4字节

2.2 示例分析

#include <stdio.h>

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

int main() {
    union Data data;        
    printf("Memory size occupied by data: %zu\n", sizeof(data));
    return 0;
}

输出结果：

Memory size occupied by data: 20

3. union的典型用法

3.1 类型转换

利用union可以在不进行强制类型转换的情况下重新解释数据：

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

void printFloatBits(float num) {
    union Converter c;
    c.f = num;
    printf("%f in binary: 0x%08X\n", num, c.u);
}

3.2 节省内存空间

当多个数据不会同时使用时：

union DeviceStatus {
    struct {
        unsigned char error_code;
        unsigned char sensor_id;
    } error;
    unsigned short normal_status;
};

3.3 协议解析

在网络协议中处理不同格式的数据：

union Packet {
    struct {
        unsigned short header;
        unsigned char payload[32];
    } raw;
    struct {
        unsigned short command;
        unsigned short data_length;
        unsigned char data[30];
    } parsed;
};

4. union的高级用法

4.1 匿名union（C11）

struct Variant {
    enum { INT, FLOAT, STR } type;
    union {
        int i;
        float f;
        char *s;
    };  // 匿名union
};

void printVariant(struct Variant v) {
    switch(v.type) {
        case INT: printf("%d\n", v.i); break;
        case FLOAT: printf("%f\n", v.f); break;
        case STR: printf("%s\n", v.s); break;
    }
}

4.2 位域结合

union StatusRegister {
    unsigned short value;
    struct {
        unsigned ready:1;
        unsigned error:1;
        unsigned busy:1;
        unsigned :13;  // 保留位
    } bits;
};

5. 使用注意事项

5.1 数据有效性问题

union Number {
    int i;
    float f;
};

union Number num;
num.i = 10;
printf("%f", num.f);  // 未定义行为！

5.2 大小端问题

union EndianTest {
    int value;
    char bytes[4];
};

void checkEndian() {
    union EndianTest test = {0x01020304};
    if(test.bytes[0] == 0x01) {
        printf("Big Endian\n");
    } else {
        printf("Little Endian\n");
    }
}

5.3 对齐问题

#pragma pack(push, 1)
union PackedUnion {
    char c;
    int i;  // 可能引发对齐问题
};
#pragma pack(pop)

6. 实际应用案例

6.1 图形颜色处理

union Color {
    unsigned int rgba;
    struct {
        unsigned char r;
        unsigned char g;
        unsigned char b;
        unsigned char a;
    } components;
};

void printColor(union Color c) {
    printf("R:%d G:%d B:%d A:%d\n",
           c.components.r,
           c.components.g,
           c.components.b,
           c.components.a);
}

6.2 嵌入式寄存器访问

typedef union {
    struct {
        uint32_t mode:2;
        uint32_t enable:1;
        uint32_t reserved:29;
    } bits;
    uint32_t reg;
} ControlRegister;

void enableDevice(volatile ControlRegister *reg) {
    reg->bits.enable = 1;
}

7. 总结

union是C语言中强大的特性，正确使用可以： - 实现内存高效利用 - 简化类型转换 - 灵活处理多种数据格式

但需要注意： 1. 同一时间只有一个成员有效 2. 考虑平台相关特性（如字节序） 3. 谨慎处理类型转换

合理使用union能让代码更简洁高效，特别是在系统编程、嵌入式开发等领域。

注意：本文示例代码需要根据实际编译环境调整，部分特性需要C11或更高标准支持。 “`

这篇文章共计约1500字，涵盖了union的基础概念、内存布局、典型用法、注意事项和实际案例，采用Markdown格式编写，包含代码示例和表格对比。