c-union使用笔记

JAY.LIN 收录于 C

2025-03-13 约 891 字预计阅读 2 分钟

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c++ union使用笔记

C++联合（union）是一种特殊的数据结构，允许在相同内存位置存储不同的数据类型，其核心价值在于 节省内存空间 （所有成员共享同一块内存）。以下是联合的详细说明和应用示例：

一、联合的简单使用

特点：

所有成员共享同一块内存（大小为最大成员的大小）
同一时间只能使用一个成员
默认访问权限为 public

示例：

union NumericData {
    int i;
    double d;
    char c;
};

int main() {
    NumericData data;
    data.i = 42;                // 存储整数
    std::cout << data.i << "\n"; // 输出 42
    
    data.d = 3.14;              // 覆盖内存，存储双精度浮点数
    std::cout << data.d << "\n"; // 输出 3.14
    
    // 注意：此时访问 data.i 将得到无意义的值！
    return 0;
}

二、联合与枚举结合

核心思想 ：通过枚举标记联合当前存储的数据类型，避免错误访问。

示例1 ：

// 定义数据类型标签
enum class DataType { INT, DOUBLE, CHAR };

struct DataContainer {
    DataType tag; // 类型标记
    union {
        int i;
        double d;
        char c;
    };
};

int main() {
    DataContainer dc;
    dc.tag = DataType::INT;
    dc.i = 100;

    // 安全访问：先检查类型标记
    if (dc.tag == DataType::INT) {
        std::cout << dc.i << "\n"; // 输出 100
    }

    dc.tag = DataType::DOUBLE;
    dc.d = 2.718;
    // 错误示例：未检查标记直接访问将导致未定义行为
    return 0;
}

示例2 ：

#include <iostream>
#include <string>

enum class DataType { INT, DOUBLE, STRING };

struct Variant {
    DataType type;
    union {
        int i;
        double d;
        std::string s;
    };

    // 构造函数
    Variant(int val) : type(DataType::INT), i(val) {}
    Variant(double val) : type(DataType::DOUBLE), d(val) {}
    Variant(const std::string& val) : type(DataType::STRING) {
        new (&s) std::string(val); // Placement new 构造字符串
    }

    // 析构函数
    ~Variant() {
        if (type == DataType::STRING) {
            s.~basic_string(); // 手动析构字符串
        }
    }

    // 拷贝构造函数
    Variant(const Variant& other) : type(other.type) {
        switch (type) {
            case DataType::INT: i = other.i; break;
            case DataType::DOUBLE: d = other.d; break;
            case DataType::STRING: new (&s) std::string(other.s); break;
        }
    }

    // 赋值运算符
    Variant& operator=(const Variant& other) {
        if (this != &other) {
            if (type == DataType::STRING) s.~basic_string();
            type = other.type;
            switch (type) {
                case DataType::INT: i = other.i; break;
                case DataType::DOUBLE: d = other.d; break;
                case DataType::STRING: new (&s) std::string(other.s); break;
            }
        }
        return *this;
    }
};

三、匿名联合（Anonymous Union）

特点：

没有名称，直接访问成员
常用于结构体或类内部简化访问
C++11 起允许包含非平凡类型（如 string ，但需谨慎使用）

示例：

struct Data {
    enum { INT, FLOAT } type;
    union { // 匿名联合
        int i;
        float f;
    };
};

// 使用示例
Data d;
d.type = Data::INT;
d.i = 42; // 直接访问匿名联合成员

四、关键注意事项

内存覆盖 ：修改一个成员会影响其他成员的值。
类型安全 ：必须手动跟踪当前有效成员（通常结合枚举）。
构造/析构 ：C++11 起支持含有非平凡类型的联合，但需显式管理生命周期。
应用场景 ：
- 协议解析（如网络数据包）
- 硬件寄存器映射
- 内存敏感型应用（嵌入式系统）

五、C++17 扩展： `std::variant`

对于需要更安全的类型存储，推荐使用 std::variant （C++17 引入）：

#include <variant>
#include <string>

int main() {
    std::variant<int, double, std::string> data;
    data = 42; // 存储 int
    data = "Hello"; // 存储 string
    // 自动跟踪当前类型，无需手动标记
    return 0;
}