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= C语言联合应用 =

== 简介 ==
'''联合（Union）'''是C语言中一种特殊的数据类型，允许在同一内存位置存储不同的数据类型。与结构体（struct）不同，联合的所有成员共享同一块内存空间，因此同一时间只能存储其中一个成员的值。联合的大小由其最大的成员决定。

联合的主要应用场景包括：
* 节省内存空间（尤其在嵌入式系统中）
* 实现多类型数据存储（如解析网络协议或文件格式）
* 类型转换（通过不同成员访问同一数据）

== 基本语法 ==
联合的定义方式与结构体相似，使用<code>union</code>关键字：

<syntaxhighlight lang="c">
union UnionName {
    member_type1 member1;
    member_type2 member2;
    // ...
};
</syntaxhighlight>

== 内存布局 ==
<mermaid>
graph TD
    A[union Data] --> B[int i]
    A --> C[float f]
    A --> D[char str[20]]
    style A fill:#f9f,stroke:#333
    style B fill:#bbf,stroke:#333
    style C fill:#bbf,stroke:#333
    style D fill:#bbf,stroke:#333
</mermaid>

上图中，联合<code>Data</code>的三个成员<code>i</code>、<code>f</code>和<code>str</code>共享同一内存空间，其大小为最大成员（此处为<code>str[20]</code>）的大小。

== 代码示例 ==
=== 基本使用 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>
#include <string.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;        

    data.i = 10;
    printf("data.i : %d\n", data.i);
    
    data.f = 220.5;
    printf("data.f : %f\n", data.f);
    
    strcpy(data.str, "C Programming");
    printf("data.str : %s\n", data.str);
    
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
data.i : 10
data.f : 220.500000
data.str : C Programming
</pre>

'''注意：''' 最后一次赋值会覆盖之前的值，因为所有成员共享内存。

=== 类型转换应用 ===
联合可用于实现低级别的类型转换：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>

union Converter {
    float f;
    unsigned int u;
};

int main() {
    union Converter conv;
    conv.f = 3.14f;
    
    printf("Float value: %f\n", conv.f);
    printf("Binary representation: 0x%08X\n", conv.u);
    
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
Float value: 3.140000
Binary representation: 0x4048F5C3
</pre>

== 实际应用案例 ==
=== 协议解析 ===
在网络协议中，联合常用于解析不同格式的数据包：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>

union IPAddress {
    unsigned int address;
    unsigned char octets[4];
};

int main() {
    union IPAddress ip;
    ip.address = 0xC0A80101; // 192.168.1.1
    
    printf("IP in hex: 0x%08X\n", ip.address);
    printf("Dotted format: %d.%d.%d.%d\n", 
           ip.octets[3], ip.octets[2], 
           ip.octets[1], ip.octets[0]);
    
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
IP in hex: 0xC0A80101
Dotted format: 192.168.1.1
</pre>

=== 硬件寄存器访问 ===
在嵌入式系统中，联合常用于访问硬件寄存器：

<syntaxhighlight lang="c">
typedef union {
    struct {
        unsigned int enable : 1;
        unsigned int mode : 3;
        unsigned int reserved : 28;
    } bits;
    unsigned int word;
} ControlRegister;

void setup_hardware() {
    ControlRegister cr;
    cr.word = 0; // 初始化
    cr.bits.enable = 1;
    cr.bits.mode = 5;
    
    printf("Register value: 0x%08X\n", cr.word);
}
</syntaxhighlight>

== 联合与结构体的区别 ==
{| class="wikitable"
|-
! 特性 !! 联合 !! 结构体
|-
| 内存使用 || 共享内存 || 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 || 只能访问一个成员 || 可同时访问所有成员
|}

== 数学表示 ==
联合的内存分配可以表示为：
<math>
\text{sizeof}(union) = \max(\text{sizeof}(member_1), \text{sizeof}(member_2), \ldots, \text{sizeof}(member_n))
</math>

== 注意事项 ==
* 联合不能包含引用类型的成员（如指针指向的数据不共享）
* 使用联合进行类型转换可能引发未定义行为（取决于平台）
* 匿名联合（C11特性）可以直接访问成员
* 联合常用于实现变体类型（variant type）

== 高级应用：标签联合 ==
结合结构体和枚举实现类型安全的联合：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>

typedef enum { INT, FLOAT, STR } Type;

typedef struct {
    Type type;
    union {
        int i;
        float f;
        char s[20];
    } value;
} Variant;

void print_variant(Variant v) {
    switch(v.type) {
        case INT: printf("INT: %d\n", v.value.i); break;
        case FLOAT: printf("FLOAT: %f\n", v.value.f); break;
        case STR: printf("STR: %s\n", v.value.s); break;
    }
}

int main() {
    Variant v1 = { .type = INT, .value.i = 42 };
    Variant v2 = { .type = FLOAT, .value.f = 3.14f };
    
    print_variant(v1);
    print_variant(v2);
    
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
INT: 42
FLOAT: 3.140000
</pre>

== 总结 ==
联合是C语言中强大的特性，特别适用于：
* 内存敏感型应用
* 底层硬件编程
* 数据格式转换
* 实现多态数据结构

正确使用联合需要充分理解其内存共享特性，避免意外覆盖数据。结合结构体和枚举可以实现更安全、更高级的编程模式。

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