019 C++的union类型
作者Lou Xiao, deepseek创建时间2025-04-02 15:08:35更新时间2025-04-02 15:08:35
1. Union 的基本概念
1.1 定义
- Union（联合体）是一种特殊的数据类型，允许在相同的内存位置存储不同的数据类型
- 语法：
union UnionName { member_list }; - 所有成员共享同一块内存空间
1.2 与结构体的区别
| 特性 | Union | Struct |
|---|---|---|
| 内存使用 | 共享内存 | 每个成员有独立内存 |
| 大小 | 最大成员的大小 | 所有成员大小之和(考虑对齐) |
| 同时访问 | 只能访问一个活跃成员 | 可同时访问所有成员 |
2. Union 的基本用法
2.1 声明与定义
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union Data {
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int i;
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float f;
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char str[20];
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};
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Data data; // 声明union变量
2.2 成员访问
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data.i = 10; // 使用int成员
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cout << data.i;
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4
data.f = 220.5; // 现在使用float成员
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cout << data.f; // 此时data.i的值已被覆盖
2.3 大小计算
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cout << sizeof(Data); // 输出20，因为char str[20]是最大成员
3. Union 的高级特性
3.1 匿名Union (C++11)
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struct Widget {
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enum class Type { INT, FLOAT, STRING } type;
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union {
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int i;
6
float f;
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char s[20];
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};
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};
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Widget w;
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w.type = Widget::Type::INT;
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w.i = 10; // 直接访问匿名union成员
3.2 带有构造函数的Union (C++11)
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union U {
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string s; // 有非平凡构造函数的成员
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int n;
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U() : s("default") {} // 必须提供构造函数
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~U() {} // 必须提供析构函数
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};
3.3 受限Union (C++11)
- 当union包含有非平凡特殊成员函数的类型时：
- 默认构造函数被删除
- 必须自定义构造函数和析构函数
- 不能包含引用成员
4. Union 的应用场景
4.1 内存优化
- 当需要存储多种类型但不会同时使用时
- 在内存受限环境中节省空间
4.2 类型转换
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union Converter {
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float f;
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unsigned int u;
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};
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Converter c;
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c.f = 3.14f;
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cout << hex << c.u; // 输出浮点数的二进制表示
4.3 变体类型实现
- 结合enum实现简单的变体类型
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struct Variant {
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enum { INT, FLOAT, STR } type;
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union {
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int i;
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float f;
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char s[20];
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};
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};
5. Union 的注意事项
5.1 活跃成员
- 任何时候只有一个成员是"活跃的"(存储了有效值)
- 访问非活跃成员是未定义行为(UB)
- 需要额外信息(如enum)来跟踪当前活跃成员
5.2 内存对齐
- Union的大小会按照最大成员的对齐要求进行对齐
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union AlignDemo {
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char c; // 1字节
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double d; // 8字节
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}; // 大小可能是8而不是9
5.3 与C的兼容性
- C++中的union比C中的更严格
- C允许union包含结构体，C++进一步允许包含类(但有特殊要求)
6. C++17中的std::variant
6.1 Union的现代替代品
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#include <variant>
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using var_t = std::variant<int, float, std::string>;
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var_t v = 42; // 当前存储int
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v = 3.14f; // 现在存储float
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v = "hello"; // 现在存储string
6.2 与Union的比较
| 特性 | Union | std::variant |
|---|---|---|
| 类型安全 | 不安全 | 安全 |
| 活跃成员跟踪 | 需要手动 | 自动 |
| 异常安全 | 无 | 有 |
| 可包含类型 | 有限制 | 几乎任何可复制类型 |
| 性能 | 更高 | 稍低 |
7. 最佳实践
- 优先考虑使用std::variant，除非有严格的性能需求
- 如果使用union，总是配合一个类型标签(enum)来跟踪活跃成员
- 避免在union中存储需要复杂构造/析构的类型
- 对union进行封装，提供类型安全的接口
- 注意跨平台问题，特别是涉及类型转换时
8. 示例代码
8.1 类型安全的Union封装
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class SafeUnion {
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public:
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enum Type { INT, FLOAT, STRING };
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SafeUnion(int i) : type(INT) { data.i = i; }
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SafeUnion(float f) : type(FLOAT) { data.f = f; }
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SafeUnion(const char* s) : type(STRING) { strcpy(data.s, s); }
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Type getType() const { return type; }
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int getInt() const {
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if (type != INT) throw std::runtime_error("Not an int");
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return data.i;
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}
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// 类似getFloat(), getString()...
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private:
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Type type;
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union {
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int i;
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float f;
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char s[20];
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} data;
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};
8.2 Union在协议解析中的应用
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struct NetworkPacket {
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uint8_t type;
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union {
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struct { uint32_t ip; uint16_t port; } connection;
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struct { char filename[256]; } fileRequest;
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struct { uint32_t chunks[8]; } dataChunk;
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} payload;
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};
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