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C语言共用体(C语言union用法)详解

通过前面的讲解,我们知道结构体(Struct)是一种构造类型或复杂类型,它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中,还有另外一种和结构体非常类似的语法,叫做共用体(Union),它的定义格式为:

union 共用体名{
    成员列表
};

共用体有时也被称为联合或者联合体,这也是 Union 这个单词的本意。
结构体和共用体的区别在于:结构体的各个成员会占用不同的内存,互相之间没有影响;而共用体的所有成员占用同一段内存,修改一个成员会影响其余所有成员。

结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和(成员之间可能会存在缝隙),共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术,同一时刻只能保存一个成员的值,如果对新的成员赋值,就会把原来成员的值覆盖掉。

共用体也是一种自定义类型,可以通过它来创建变量,例如:
union data{
    int n;
    char ch;
    double f;
};
union data a, b, c;
上面是先定义共用体,再创建变量,也可以在定义共用体的同时创建变量:
union data{
    int n;
    char ch;
    double f;
} a, b, c;
如果不再定义新的变量,也可以将共用体的名字省略:
union{
    int n;
    char ch;
    double f;
} a, b, c;
共用体 data 中,成员 f 占用的内存最多,为 8 个字节,所以 data 类型的变量(也就是 a、b、c)也占用 8 个字节的内存,请看下面的演示:
#include <stdio.h>

union data{
    int n;
    char ch;
    short m;
};

int main(){
    union data a;
    printf("%d, %d\n", sizeof(a), sizeof(union data) );
    a.n = 0x40;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.ch = '9';
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.m = 0x2059;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.n = 0x3E25AD54;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
   
    return 0;
}
运行结果:
4, 4
40, @, 40
39, 9, 39
2059, Y, 2059
3E25AD54, T, AD54
这段代码不但验证了共用体的长度,还说明共用体成员之间会相互影响,修改一个成员的值会影响其他成员。

要想理解上面的输出结果,弄清成员之间究竟是如何相互影响的,就得了解各个成员在内存中的分布。以上面的 data 为例,各个成员在内存中的分布如下:

成员 n、ch、m 在内存中“对齐”到一头,对 ch 赋值修改的是前一个字节,对 m 赋值修改的是前两个字节,对 n 赋值修改的是全部字节。也就是说,ch、m 会影响到 n 的一部分数据,而 n 会影响到 ch、m 的全部数据。

上图是在绝大多数 PC 机上的内存分布情况,如果是 51 单片机,情况就会有所不同:

为什么不同的机器会有不同的分布情况呢?这跟机器的存储模式有关,我们将在VIP教程《大端小端以及判别方式》一节中展开探讨。

共用体的应用

共用体在一般的编程中应用较少,在单片机中应用较多。对于 PC 机,经常使用到的一个实例是: 现有一张关于学生信息和教师信息的表格。学生信息包括姓名、编号、性别、职业、分数,教师的信息包括姓名、编号、性别、职业、教学科目。请看下面的表格:
Name
Num
Sex
Profession
Score / Course
HanXiaoXiao
501
f
s
89.5
YanWeiMin
1011
m
t
math
LiuZhenTao
109
f
t
English
ZhaoFeiYan
982
m
s
95.0

f 和 m 分别表示女性和男性,s 表示学生,t 表示教师。可以看出,学生和教师所包含的数据是不同的。现在要求把这些信息放在同一个表格中,并设计程序输入人员信息然后输出。

如果把每个人的信息都看作一个结构体变量的话,那么教师和学生的前 4 个成员变量是一样的,第 5 个成员变量可能是 score 或者 course。当第 4 个成员变量的值是 s 的时候,第 5 个成员变量就是 score;当第 4 个成员变量的值是 t 的时候,第 5 个成员变量就是 course。

经过上面的分析,我们可以设计一个包含共用体的结构体,请看下面的代码:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define TOTAL 4  //人员总数

struct{
    char name[20];
    int num;
    char sex;
    char profession;
    union{
        float score;
        char course[20];
    } sc;
} bodys[TOTAL];

int main(){
    int i;
    //输入人员信息
    for(i=0; i<TOTAL; i++){
        printf("Input info: ");
        scanf("%s %d %c %c", bodys[i].name, &(bodys[i].num), &(bodys[i].sex), &(bodys[i].profession));
        if(bodys[i].profession == 's'){  //如果是学生
            scanf("%f", &bodys[i].sc.score);
        }else{  //如果是老师
            scanf("%s", bodys[i].sc.course);
        }
        fflush(stdin);
    }

    //输出人员信息
    printf("\nName\t\tNum\tSex\tProfession\tScore / Course\n");
    for(i=0; i<TOTAL; i++){
        if(bodys[i].profession == 's'){  //如果是学生
            printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%f\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.score);
        }else{  //如果是老师
            printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%s\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.course);
        }
    }
    return 0;
}
运行结果:
Input info: HanXiaoXiao 501 f s 89.5↙
Input info: YanWeiMin 1011 m t math↙
Input info: LiuZhenTao 109 f t English↙
Input info: ZhaoFeiYan 982 m s 95.0↙

Name            Num     Sex     Profession      Score / Course
HanXiaoXiao     501     f       s               89.500000
YanWeiMin       1011    m       t               math
LiuZhenTao      109     f       t               English
ZhaoFeiYan      982     m       s               95.000000

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