C语言中联合体(union)的使用场景和内存布局是什么？

C语言中联合体(union)的使用场景和内存布局是什么？

联合体基本概念：

1. 定义和声明

   c
   union Data {
       int i;
       float f;
       char str[20];
   };
   
   union Data data;
   data.i = 10;
   data.f = 3.14;
   strcpy(data.str, "Hello");

2. 内存共享特性

   c
   union Example {
       int value;
       char bytes[4];
   };
   
   union Example ex;
   ex.value = 0x12345678;
   
   // bytes[0] = 0x78 (小端序)
   // bytes[1] = 0x56
   // bytes[2] = 0x34
   // bytes[3] = 0x12

典型使用场景：

1. 数据类型转换

   c
   union FloatInt {
       float f;
       unsigned int i;
   };
   
   float_to_bits(float value) {
       union FloatInt converter;
       converter.f = value;
       return converter.i;
   }

2. 节省内存空间

   c
   // 不使用联合体：占用12字节
   struct Message {
       int type;
       union {
           int int_data;
           float float_data;
           char char_data[4];
       } data;
   };
   
   // 使用联合体：只占用8字节
   union CompactMessage {
       struct {
           int type;
           int data;
       } int_msg;
       struct {
           int type;
           float data;
       } float_msg;
   };

3. 网络协议解析

   c
   union IPHeader {
       struct {
           unsigned int version : 4;
           unsigned int ihl : 4;
           unsigned int tos : 8;
           unsigned int total_length : 16;
       } fields;
       unsigned int raw;
   };

4. 变体数据类型

   c
   enum DataType { INT, FLOAT, STRING };
   
   struct Variant {
       enum DataType type;
       union {
           int int_val;
           float float_val;
           char *str_val;
       } value;
   };

内存布局分析：

1. 大小计算

   c
   union SizeExample {
       char c;      // 1字节
       int i;       // 4字节
       double d;    // 8字节
   };
   
   sizeof(union SizeExample);  // 8字节（最大成员的大小）

2. 对齐规则

   c
   union AlignedExample {
       char c;
       int i;
       double d;
   };
   
   // 大小为8字节，对齐到8字节边界

高级应用：

1. 位域操作

   c
   union BitManipulation {
       unsigned int value;
       struct {
           unsigned int bit0 : 1;
           unsigned int bit1 : 1;
           unsigned int bit2 : 1;
           unsigned int rest : 29;
       } bits;
   };
   
   union BitManipulation bm;
   bm.value = 0;
   bm.bits.bit0 = 1;

2. 类型安全的联合体

   c
   struct SafeUnion {
       enum { INT, FLOAT, STRING } type;
       union {
           int int_val;
           float float_val;
           char *str_val;
       } data;
   };
   
   void print_safe_union(struct SafeUnion *su) {
       switch (su->type) {
           case INT:
               printf("%d\n", su->data.int_val);
               break;
           case FLOAT:
               printf("%f\n", su->data.float_val);
               break;
           case STRING:
               printf("%s\n", su->data.str_val);
               break;
       }
   }

注意事项：

1. 同时访问问题

   c
   union Data {
       int i;
       float f;
   };
   
   union Data d;
   d.i = 10;
   d.f = 3.14;  // 覆盖了之前的值
   // 此时访问 d.i 是未定义行为

2. 字节序依赖

   c
   union EndianTest {
       int value;
       char bytes[4];
   };
   
   union EndianTest test;
   test.value = 1;
   
   if (test.bytes[0] == 1) {
       printf("Little Endian\n");
   } else {
       printf("Big Endian\n");
   }

3. 初始化

   c
   union Data {
       int i;
       float f;
   };
   
   union Data d1 = {10};        // 初始化第一个成员
   union Data d2 = {.f = 3.14}; // 指定成员初始化