在C语言中，如何定义和使用联合体（union）？它与结构体有何不同？

八股文_C语言面试题 0 164

参考回答

在 C 语言中，联合体（union）是一种特殊的数据类型，它允许在同一块内存空间中存储不同的数据类型，但同一时间只能存储其中一个数据项。也就是说，联合体的所有成员共用同一段内存空间，大小等于最大的成员的大小。

定义和使用联合体：

联合体的定义和结构体类似，也是使用 union 关键字。定义时，我们可以指定不同的数据类型作为成员，但是同一时刻只能有一个成员存储值。

定义联合体的基本语法：

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

在这个例子中，union Data 定义了三个成员：i（整型）、f（浮动数）和 str（字符数组）。由于联合体的成员共享同一内存空间，因此它的大小等于最大成员的大小（在这里是 str，大小为 20 字节）。

使用联合体：

使用联合体时，与结构体类似，可以通过点操作符（.）来访问各个成员。但需要注意的是，同一时刻只有最后赋值的成员是有效的。

union Data data;  // 声明一个联合体变量 data

data.i = 10;  // 给整型成员赋值
printf("data.i: %d\n", data.i);

data.f = 3.14;  // 给浮动型成员赋值
printf("data.f: %.2f\n", data.f);

strcpy(data.str, "Hello, World!");  // 给字符数组成员赋值
printf("data.str: %s\n", data.str);

// 由于联合体的成员共享内存，只有最后赋值的成员有效
printf("data.i: %d\n", data.i);  // 这里输出的是未定义的值，因为 data.str 覆盖了 data.i 的内存空间

详细讲解与拓展

联合体的关键特点：

内存共享：所有联合体的成员共用同一块内存空间，因此同一时间只能存储一个成员的值。联合体的内存大小是其最大成员的大小。
例如，若联合体 Data 中的成员有 int（4 字节）、float（4 字节）和 char[20]（20 字节），那么 union Data 的大小将是 20 字节，因为 char[20] 是最大成员。
赋值问题：虽然联合体的成员可以是不同的类型，但同一时刻只能对其中一个成员赋值，因为它们共享内存。如果你给其中一个成员赋值，那么其他成员的值将被覆盖或变得无效。

举个例子：
```
union Data data;
data.i = 5;
data.f = 3.14;
printf("data.i: %d\n", data.i);  // 输出的值将不再是 5，而是垃圾值
printf("data.f: %.2f\n", data.f);  // 输出 3.14
```
你可以看到，给 data.f 赋值后，data.i 就不再是有效值，因它们共享同一段内存。
联合体与结构体的区别：
- 内存使用：结构体的每个成员都有自己独立的内存空间，结构体的大小是所有成员大小的总和。而联合体的成员共享内存，大小仅为最大成员的大小。
- 数据存储：结构体中每个成员在同一时刻都有效，而联合体同一时刻只能保存一个成员的数据。
举个例子，假设你定义了如下结构体和联合体：
```
struct Person {
   char name[50];
   int age;
   float height;
};

union PersonUnion {
   char name[50];
   int age;
   float height;
};
```
如果你定义一个 struct Person 类型的变量，它的内存结构会包含 name、age 和 height 三个成员的内存空间。而对于 union PersonUnion，内存结构只会包含 name、age 或 height 其中一个成员的内存空间，大小等于最大成员的大小。
联合体的应用场景：
联合体适用于节省内存空间的情况，特别是在你知道某一时刻只会使用其中一个成员时。常见的应用包括：
- 协议解析：在一些协议中，不同的数据类型可能会根据不同的场景进行切换，联合体可以有效节省内存。
- 内存优化：当你有多个字段，但是每次只需要其中一个时，联合体能帮助你节省内存。
使用联合体时的注意事项：
- 在使用联合体时，通常需要明确使用哪个成员。可以通过编写标志或枚举类型来指示当前使用的成员。
- 联合体常与结构体一起使用，构建更加复杂的数据结构。例如，联合体用于表示不同类型的数据，结构体用于组织这些数据。

union Data {
    int i;
    float f;
};

struct Container {
    union Data data;
    char type;  // 标志当前使用哪个数据
};

struct Container c;
c.type = 'i';  // 表示使用整型数据
c.data.i = 42;  // 使用整型数据

总结来说，结构体和联合体虽然都可以将多个数据组合在一起，但它们的存储方式和使用场景不同。结构体用于将多个数据字段组合成一个整体，而联合体则用于节省内存，适用于同一时刻只有一个成员的数据存储。