《Hello C++》4.3 共用体

共用体（union）是一种特殊的数据结构，它允许不同的数据成员共享同一块内存区域。这意味着，尽管共用体可以包含多个不同类型的成员，但在任何一个时刻，它只能存储其中一个成员的值。这种设计使得共用体在特定场景下非常有用，尤其是在需要考虑内存节省的情况下。

共用体的定义方式与结构体（struct）相似，但需要把关键字换成 union。例如，你可以定义一个包含整型、字符型和浮点型成员的共用体。

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#include <iostream>
#include <cstring>

using namespace std;

union BasicData
{
    int integer_value;
    float float_value;
    char string_value[20];
};

int main()
{
    BasicData data;
    
    // 存储整数
    data.integer_value = 42;
    cout << "整数值: " << data.integer_value << endl;
    
    // 存储浮点数（会覆盖之前的整数）
    data.float_value = 3.14f;
    cout << "浮点数值: " << data.float_value << endl;
    
    // 存储字符串（会覆盖之前的浮点数）
    strcpy(data.string_value, "Hello, Union!");
    cout << "字符串值: " << data.string_value << endl;
    
    // 演示数据覆盖效果
    cout << "覆盖后尝试读取整数: " << data.integer_value << endl; // 无意义的值
    
    return 0;
}

然而，与结构体所有成员独立占用内存空间不同，共用体的所有成员都从相同的内存地址开始存储。因此，一个共用体变量所占用的总内存大小，由其最长的成员决定。例如，如果一个共用体包含一个 int（通常占 4 字节）和一个 double（通常占 8 字节），那么该共用体的大小就是 8 字节。这种内存共享机制也带来了一个关键特性：当你给一个成员赋值后，再给另一个成员赋值，就会覆盖之前的值，因为它们共享同一块内存。所以，在某一时刻，只有最后一次被赋值的成员是有效的。

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// 存储整数
data.integer_value = 42;
cout << "整数值: " << data.integer_value << endl;

// 存储浮点数（会覆盖之前的整数）
data.float_value = 3.14f;
cout << "浮点数值: " << data.float_value << endl;

// 存储字符串（会覆盖之前的浮点数）
strcpy(data.string_value, "Hello, Union!");
cout << "字符串值: " << data.string_value << endl;

cout << "覆盖后尝试读取整数: " << data.integer_value << endl; // 无意义的值

由于共用体的这种特性，在使用时有几点需要特别注意。你不能直接对共用体中定义的变量名进行赋值或初始化，也不能用它作为函数参数或返回值，而只能通过其成员来访问数据。同时，共用体变量的地址和它各个成员的地址都是相同的。在 C++ 中，共用体可以像类一样拥有成员函数（如构造函数），但不能有虚函数、静态数据成员或引用成员，也不能作为基类使用（面向对象及类的知识我们会在第七章类与对象中讲到）。此外，如果共用体的成员是自定义类型（如某个类的对象），那么该类不能有构造函数、析构函数、重载的赋值运算符或虚函数。

共用体一个典型的应用场景是当某个数据项可能具有多种类型，但在一段时间内只会使用其中一种类型时，可以用来节省内存。例如，在一个商品管理结构中，有些商品的 ID 是整数，有些则是字符串，就可以使用共用体来存储 ID。共用体也常用于低级编程，如操作系统数据结构、硬件寄存器访问或需要直接处理数据字节的场景（例如类型转换或分离高低字节）。还有一种特殊的匿名共用体（anonymous union），它没有名称，其成员可以直接被外层结构体或类的成员访问，使得代码更加简洁。

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#include <iostream>
using namespace std;

struct ConfigValue
{
    enum ValueType { INT_TYPE, FLOAT_TYPE } type; // 标签，用于指示当前存储的是哪种类型的数据
    union
    { // 匿名共用体
        int int_val;     // 当type为INT_TYPE时，使用此成员
        float float_val; // 当type为FLOAT_TYPE时，使用此成员
    }; // 匿名共用体结束，其成员int_val和float_val直接成为ConfigValue的成员
};

int main()
{
    ConfigValue cv;
    
    cv.type = ConfigValue::INT_TYPE;
    cv.int_val = 100; // 直接访问匿名共用体的成员，无需中间变量名
    cout << "Integer value: " << cv.int_val << endl;
    
    cv.type = ConfigValue::FLOAT_TYPE;
    cv.float_val = 3.14f; // 给float_val赋值会覆盖int_val的内存
    cout << "Float value: " << cv.float_val << endl;
    
    // 错误演示：由于内存共享，此时再读取cv.int_val将得到无意义的数据
    // cout << cv.int_val << endl;
    
    return 0;
}

在实际编程中，为了确保能正确解读共用体中存储的数据，通常需要另一个额外的变量，例如：enum ValueType { INT_TYPE, FLOAT_TYPE } type;（通常称为"标签"或"判别式"）来记录当前共用体中存储的是哪个成员。例如，在一个结构体中，可以有一个 type 字段指明当前应该使用共用体中的哪个成员。共用体的内存布局还会受到内存对齐规则的影响。编译器可能会在成员之间或共用体末尾添加填充字节，以确保数据在内存中的地址符合特定要求，从而优化访问速度。因此，共用体的实际大小可能不等于其最大成员的大小，而是其对齐要求的整数倍。