编辑“︁C 语言联合基础”︁

= C语言联合基础 =

== 介绍 ==  
'''联合（Union）'''是C语言中的一种复合数据类型，它允许在相同的内存位置存储不同的数据类型。联合与结构体（Struct）类似，但关键区别在于：联合的所有成员共享同一块内存空间，而结构体的每个成员拥有独立的内存空间。因此，联合在任何时候只能存储一个成员的值，修改一个成员会影响其他成员的值。

联合常用于以下场景：  
* 节省内存空间（特别是在嵌入式系统中）。  
* 实现多态或类型转换（例如，将同一块内存解释为不同的数据类型）。  
* 处理硬件寄存器或协议数据（如网络数据包解析）。  

== 语法与定义 ==  
联合的定义语法与结构体类似，使用关键字<code>union</code>：  

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

例如，定义一个包含<code>int</code>和<code>float</code>的联合：  
<syntaxhighlight lang="c">
union Data {
    int i;
    float f;
};
</syntaxhighlight>

== 联合的内存布局 ==  
联合的大小由其最大的成员决定。例如，上述<code>union Data</code>的大小为<code>sizeof(float)</code>（假设<code>float</code>比<code>int</code>占用更多空间）。  

<mermaid>
pie
    title 联合的内存分配
    "int i" : 4 bytes
    "float f" : 4 bytes
</mermaid>

== 基本用法示例 ==  
以下代码演示联合的声明、赋值和访问：  
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
};

int main() {
    union Data data;

    data.i = 42;
    printf("data.i = %d\n", data.i);  // 输出: data.i = 42

    data.f = 3.14;
    printf("data.f = %f\n", data.f);  // 输出: data.f = 3.140000
    printf("data.i = %d\n", data.i);  // 输出: data.i = 垃圾值（取决于浮点数的二进制表示）

    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''注意'''：修改<code>data.f</code>后，<code>data.i</code>的值变得无意义，因为两者共享同一内存空间。

== 实际应用案例 ==  
=== 1. 节省内存空间 ===  
在嵌入式系统中，联合可用于节省内存。例如，传感器数据可能以整数或浮点数形式存储：  
<syntaxhighlight lang="c">
union SensorData {
    int raw_value;
    float calibrated_value;
};
</syntaxhighlight>

=== 2. 类型转换 ===  
联合可用于将同一块内存解释为不同类型：  
<syntaxhighlight lang="c">
union Converter {
    float f;
    unsigned char bytes[sizeof(float)];
};

int main() {
    union Converter conv;
    conv.f = 1.0f;

    // 打印浮点数的字节表示
    for (int i = 0; i < sizeof(float); i++) {
        printf("byte[%d] = 0x%02X\n", i, conv.bytes[i]);
    }
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

输出示例（取决于系统的小端/大端存储）：  
<pre>
byte[0] = 0x00
byte[1] = 0x00
byte[2] = 0x80
byte[3] = 0x3F
</pre>

=== 3. 协议解析 ===  
联合可用于解析网络协议或硬件寄存器：  
<syntaxhighlight lang="c">
union Packet {
    uint32_t raw;
    struct {
        uint8_t header;
        uint8_t payload;
        uint16_t checksum;
    } fields;
};

int main() {
    union Packet packet;
    packet.raw = 0xAABBCCDD;

    printf("Header: 0x%X\n", packet.fields.header);  // 输出取决于字节序
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

== 联合与结构体的区别 ==  
{| class="wikitable"
|-
! 特性 !! 联合（Union） !! 结构体（Struct）
|-
| 内存分配 || 所有成员共享同一内存 || 每个成员拥有独立内存
|-
| 大小 || 由最大成员决定 || 所有成员大小之和（考虑对齐）
|-
| 用途 || 节省内存、类型转换 || 存储多个独立数据
|}

== 注意事项 ==  
1. '''初始化'''：只能初始化联合的第一个成员。  
   <syntaxhighlight lang="c">
   union Data data = {10};  // 正确：初始化i
   </syntaxhighlight>  

2. '''字节序问题'''：跨平台时需注意大小端存储差异。  

3. '''类型安全'''：访问未赋值的成员可能导致未定义行为。  

== 数学表示 ==  
联合的内存共享特性可表示为：  
<math>
\text{Union Size} = \max(\text{Size}(m_1), \text{Size}(m_2), \ldots, \text{Size}(m_n))
</math>  
其中<math>m_1, m_2, \ldots, m_n</math>为联合的成员。  

== 总结 ==  
联合是C语言中一种高效利用内存的工具，适用于需要灵活解释数据的场景。正确使用时，它能显著减少内存占用，但需谨慎处理类型安全和平台兼容性问题。

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