联合体

联合体是一种特殊的派生类型，它允许在相同的内存位置存储不同类型的数据。与结构体不同，联合体的所有成员共享同一块内存空间，在任何时刻只能存储其中一个成员的值。

1. 定义

关键字 union + "名字" + 声明列表 其中声明列表是一个用逗号分隔，花括号环绕的列表，列表中的每一项是一个成员的声明

union data {
    int i;
    float f;
    char c;
};

上述代码定义了一个联合体类型 union data，它包含三个成员：i、f 和 c。但它们共享同一块内存，大小等于最大成员的大小（在这里是 int 或 float 的大小，通常为 4 字节）。

之后声明联合体对象时：

union data a; // 声明一个 union data 类型的对象 a

typedef 起别名

typedef union {
    int i;
    float f;
    char c;
} data;

或者

union data {
    int i;
    float f;
    char c;
};
typedef union data data;

取别名之后，可以用 data 表示这个联合体类型（在第二种情况中，union data 也可用）：

data a; // 声明一个 union data 类型的对象 a

2. 初始化

联合体的初始化只能使用第一个成员的类型，或者使用指派符指定特定成员：

union data d1 = { 42 };              // 初始化第一个成员 i
union data d2 = { .f = 3.14f };      // 使用指派符初始化成员 f
union data d3 = { .c = 'A' };        // 使用指派符初始化成员 c

注意

联合体在同一时间只能存储一个成员的值。当你给某个成员赋值时，其他成员的值就变得不确定了。

3. 访问成员

联合体的成员访问方式与结构体相同，使用点运算符 .：

#include <stdio.h>

union data {
    int i;
    float f;
    char c;
};

int main(void) {
    union data d;

    d.i = 42;
    printf("d.i = %d\n", d.i);       // 输出：42

    d.f = 3.14f;
    printf("d.f = %f\n", d.f);       // 输出：3.14
    // printf("d.i = %d\n", d.i);    // 输出：未定义行为，因为被 f 覆盖了

    d.c = 'A';
    printf("d.c = %c\n", d.c);       // 输出：A
    // printf("d.f = %f\n", d.f);    // 输出：未定义行为，因为被 c 覆盖了

    return 0;
}

4. 常见用途

4.1“节省内存”

当你需要存储不同类型的数据，但在任何时刻只需要其中一种时：

union number {
    int as_int;
    float as_float;
    double as_double;
};

// 只占用 double 的大小（8 字节），而不是三者之和

4.2 类型转换和位操作

联合体可以用来查看同一数据的不同表示：

#include <stdio.h>

union converter {
    float f;
    unsigned int bits;
};

int main(void) {
    union converter conv;
    conv.f = 3.14f;

    printf("浮点数：%f\n", conv.f);
    printf("位表示：0x%08x\n", conv.bits);

    return 0;
}

4.3 带标签的联合体（Tagged Union）

结合枚举类型，可以创建安全的联合体：

typedef enum {
    TYPE_INT,
    TYPE_FLOAT,
    TYPE_STRING
} value_type;

typedef struct {
    value_type type;
    union {
        int i;
        float f;
        char* s;
    } data;
} tagged_value;

void print_value(tagged_value val) {
    switch (val.type) {
        case TYPE_INT:
            printf("整数：%d\n", val.data.i);
            break;
        case TYPE_FLOAT:
            printf("浮点数：%f\n", val.data.f);
            break;
        case TYPE_STRING:
            printf("字符串：%s\n", val.data.s);
            break;
    }
}

5. 初始化

联合体只能用第一个成员的类型进行初始化（除非使用指派符）。

union example {
    int i;
    float f;
};

union example e1 = { 42 };        // 正确：初始化第一个成员
union example e2 = { 3.14f };     // 错误：类型不匹配
union example e3 = { .f = 3.14f }; // 正确：使用指派符

习题

1. [1.1] 编写程序，使用联合体实现一个简单的类型转换器，能够查看整数的浮点数表示，以及浮点数的二进制位表示。

2. [1.3] 实现一个通用的类型，使用带标签的联合体存储整数、浮点数或字符串，并提供相应的打印和比较函数。

3. [2.1] 设计一个表达式求值器，使用联合体表示不同类型的表达式节点（数字、运算符等），实现简单的四则运算。

4. [1.2] 编写程序演示联合体的内存布局，计算并输出不同联合体类型的大小，验证内存对齐的影响。