C/C++中的联合体union介绍
C/C++中的联合体union介绍
联合体（union）是C/C++中一种特殊的数据结构，它允许在相同的内存位置存储不同的数据类型。与结构体（struct）不同，联合体中的成员是互斥的，即任何时候只有一个成员有效。这种特性使得联合体在处理内存共享、数据转换等场景时非常有用。本文将详细介绍联合体的定义、使用方法、内存分配特点以及实际应用案例。
union定义与简单使用
联合体（union），中文名“联合体、共用体”，在某种程度上是类似结构体struct的一种数据结构，联合体(union)和结构体(struct)同样可以包含很多种数据类型和变量。
两者区别如下：
结构体(struct)中所有变量是“共存”的——优点是“有容乃大”，全面；缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，全分配。
联合体(union)中是各变量是“互斥”的——缺点就是不够“包容”，即任何两个成员不会同时有效；但优点是内存使用更为精细灵活，也节省了内存空间。
当多个数据需要共享内存或者多个数据每次只取其一时，可以利用联合体(union)。在C Programming Language 一书中对于联合体是这么描述的：
联合体是一个结构体；
它的所有成员相对于基地址的偏移量都为0；
此结构空间要大到足够容纳最"宽"的成员；
其内存对齐方式要适合其中所有的成员；
定义形式如下：
union 名称{
public: //此行可不写，默认为public
公有成员
protected:
保护型成员
private:
私有成员
};
无名联合体
union {
int i;
float f;
};
i = 5; // 无名联合体可直接用变量名使用
f = 2.0; // 此时i赋值的内容已无效
使用举例：
union Mark{ //表示成绩的联合体，同一门课程只会存在一种成绩表示方法
char level; // 表示等级制的成绩‘A’ ‘B’ 'C'等
bool pass; // 只计是否通过课程的成绩 0 1
int grade; // 表示分数制的成绩
};
使用联合体保存成绩信息，并且输出：（下面代码在vs2013、vs2017正常运行，vs2015上会报错，提示枚举类未定义，感觉是vs2015默认配置的原因）
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class ExamInfo {
private:
string name; //课程名
enum { LEVEL, PASS, GRADE } mode; //计分方式
union {
char level; // 表示等级制的成绩‘A’ ‘B’ 'C'等
bool pass; // 只计是否通过课程的成绩
int grade; // 表示分数制的成绩
};
public:
ExamInfo() {};
ExamInfo(string name, char level) : name(name), mode(ExamInfo::LEVEL), level(level) {};
ExamInfo(string name, bool pass) : name(name), mode(ExamInfo::PASS), pass(pass) {};
ExamInfo(string name, int grade) : name(name), mode(ExamInfo::GRADE), grade(grade) {};
void show() {
cout << name << ":";
switch (mode) {
case ExamInfo::LEVEL: cout << level << endl; break;
case ExamInfo::PASS: cout << (pass ? "PASS" : "FAIL") << endl; break;
case ExamInfo::GRADE: cout << grade << endl; break;
}
}
};
int main() {
ExamInfo course1("English", 'B');
ExamInfo course2("Math", true);
ExamInfo course3("C++ Programming", 89);
course1.show();
course2.show();
course3.show();
system("pause");
return 0;
}
输入结果：
内存分配与所占空间
联合体所占的空间不仅取决于最宽成员，还跟所有成员有关系，即其大小必须满足两个条件：
1. 大小足够容纳最宽的成员
2. 大小能被其包含的所有基本数据类型的大小所整除。
测试样例如下：
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
union U1 {
int n;
char s[11];
double d;
};
union U2 {
int n;
char s[5];
double d;
};
U1 u1;
U2 u2;
cout << sizeof(u1) << '\t' << sizeof(u2) << endl;
cout << "u1各数据地址:\n" << &u1 << '\t' << &u1.d << '\t' << &u1.s << '\t' << &u1.n << endl;
cout << "u2各数据地址:\n" << &u2 << '\t' << &u2.d << '\t' << &u2.s << '\t' << &u2.n << endl;
system("pause");
return 0;
}
输出结果：
对于U1联合体，n占4字节，d占8字节，s的基本类型是char，字节数为1，s最多的时候占用11字节，所以U1至少要11字节，但11字节对于8字节的double类型来说无法整除，所以扩充到16字节。这是因为存在字节对齐的问题，11既不能被4整除，也不能被8整除。因此补充字节到16，这样就符合所有成员的自身对齐了。
对于U2联合体，同理知道其大小为8。
从结果中还可以发现，联合体中的各数据的存储地址都是相同的。
多种访问内存途径共存
联合体中数据是共享相同的存储空间，各种变量名都可以同时使用，操作也是共同生效。具体访问方式如下：
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
union U {
unsigned int n;
unsigned char s[4];
};
U u;
u.n = 0xf1f2f3f4;
cout << "数值大小：" << hex << u.n << '\t' << "地址：" << &u.n << endl;
cout << "数值大小：" << hex << (int)u.s[0] << '\t' << "地址：" << (void*)&u.s[0] << endl;
cout << "数值大小：" << hex << (int)u.s[1] << '\t' << "地址：" << (void*)&u.s[1] << endl;
cout << "数值大小：" << hex << (int)u.s[2] << '\t' << "地址：" << (void*)&u.s[2] << endl;
cout << "数值大小：" << hex << (int)u.s[3] << '\t' << "地址：" << (void*)&u.s[3] << endl;
system("pause");
return 0;
}
输出结果：
char s[4]代表四个变量，但是可以用一个int来操作，直接int赋值，无论内存访问（指针大小的整数倍，访问才有效率），还是时间复杂度（一次和四次的区别，而且这四次有三次都是不整齐的地址），都会低一些
。
优点：多种访问内存的手段可以灵活读取任意部分数据，也可整体进行赋值。在某些寄存器或通道大小有限制的情况下，可以分多次搬运，具体例子见后续内容。
缺点：由于所有变量都能使用，容易使用错误的变量造成逻辑错误。
数据存储位置
接下来研究具体每种类型数值都存储在哪里。上一节的代码中：
int变量 n = 0xf1f2f3f4，在存储时低位f4放在低地址上，故存储顺序为：f4 f3 f2 f1。
char s[4]数组中下标低的，地址也低，按地址从低到高存储。故在输出时顺序为：f4 f3 f2 f1。
因此，当使用数组s读取数据，拼接起来转为Int时，需要反转才能得到正确的数字。
union应用之寄存器读取
设想用C语言实现这样一个功能。我需要用单片机读取一个监控温度的i2c slave的寄存器数据。这个寄存器是12位有效位寄存器。读出来之后我们要通过数据手册给定的公式计算成实际温度（设想这个公式为 temp = reg_val *10）。我们怎么实现呢？要知道，i2c的数据传输是按照byte传送的，也就是说，你只能用char类型结束数据，说白了，每个时序你只能接收8个bit的数据。所以12个bit需要读两次，用两个char类型变量或一个char类型数据接收。
具体步骤如下：
读出寄存器数据（这个不在这篇文章的讨论范围内）。
将读出的数据转换成可计算的数据类型（两个char类型转换成一个short或int或float类型）。
根据公式计算。
下面看一下不用union实现的函数
int fun( void ) {
int tmp_value = 0;
char reg_val[2] = {0,0};
....
i2c.read(addr<<1, reg_val, 2);
tmp_value = (reg_val[1]<<8 | reg_val[0]);
return tmp_value*10;
}
用union
union REG_VAL {
int value;
char buf[2];
}reg_val;
int fun( void ) {
....
i2c.read(addr<<1, reg_val.buf, 2);
return reg_val.value*10;
}
可以看到虽然在这里用union的代码比不用union的多了几行，但是i2c sensor如果多的话，那就会少很多，而且i2c sensor的寄存器有效位数不是一样的，这个用两个char类型就解决了，但是其他的可能需要用三个，所以用最上面定义的union变量可以很好的实现，不需要考虑各种转换问题。