C语言中的联合有什么作用？

Question

我正在阅读O'Reilly的《实用C编程》一书，已经读过了C编程语言的K&R书籍，但我仍然很难理解union背后的概念。它们采用构成它们的最大数据类型的大小...并且最近分配的一个会覆盖其余部分...但为什么不只是根据需要使用/释放内存呢？

该书提到它在通信中使用，其中需要设置相同大小的标志；在一个谷歌网站上，它可以消除奇数大小的内存块...但在现代的非嵌入式内存空间中有用吗？

你能否在CPU寄存器中使用它进行某些巧妙的操作？它是否只是早期编程时代的遗物？或者它是否像臭名昭著的goto一样，仍然具有一些强大的用途（可能在紧凑的内存空间中），使其值得保留？

- user978122

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请查看 Type-Punning。 - Mysticial

在需要将结构体转换为其二进制值（例如char []）而不使用指针技巧的情况下，它可能非常有用。 - Richard J. Ross III

可能是c/c++：何时使用联合？它是否基本上是C时代的残留物？的重复。 - Richard J. Ross III

Answer 1

嗯，你几乎回答了自己的问题：内存。

早些时候，内存非常有限，即使能节省几个k字节也是很有用的。

但即使是今天，仍有一些场景可以使用联合体。例如，如果你想实现某种variant数据类型，最好的方法就是使用联合体。

这听起来不像什么大不了的事，但假设你想使用一个变量，它可以存储4个字符的字符串（如ID）或4字节的数字（可能是某个哈希值或实际上只是一个数字）。

如果使用经典的struct，这将占用8个字节的空间（至少，如果不够幸运，还会有填充字节）。使用union只需4个字节。因此，你可以节省50%的内存，单个实例看起来并不多，但想象一下拥有百万个这样的实例。

虽然可以通过转换或子类化来实现类似的功能，但联合体仍然是最简单的方法。

- Mario

Answer 2

联合的一个用途是让两个变量占用同一空间，结构体中的第二个变量可以决定您要将其视为哪种数据类型。

例如，您可以拥有一个布尔值“isDouble”和一个联合“doubleOrLong”，其中既有双精度浮点数又有长整型。如果isDouble == true，则将联合解释为double，否则将其解释为long。

联合的另一个用途是访问以不同表示形式表示的数据类型。例如，如果您知道如何在内存中布置双精度浮点数，则可以将双精度浮点数放入联合中，将其作为不同的数据类型（如长整型）访问，直接访问其位、尾数、符号、指数等，并对其进行直接操作。

现在由于内存价格便宜，您实际上并不需要这个功能，但在嵌入式系统中它仍然有其用处。

- Patashu

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即使在具有数千兆字节RAM的现代计算机中，根据您的情况保存内存也不会有害，例如在将某些内容保存到磁盘、通过网络发送某些内容或仅基于数据集数量时。 - Mario

@Mario 同意。对我来说，认为内存便宜，不需要关心结构大小的论点总是让人感觉设计懒惰。假设你想在内存中存储一亿条记录，并且这些记录有32个不同的布尔标志。你会使用32个布尔值还是一个32位的异或整数？不考虑填充，这相差约3GB。 - Anthony

Answer 3

Windows API 在很多情况下都使用联合体。LARGE_INTEGER 就是这样一种用法的例子。基本上，如果编译器支持 64 位整数，就使用 QuadPart 成员；否则，手动设置低 DWORD 和高 DWORD。

- Anthony

Answer 4

这并不是一个过时的做法，因为C语言是在1972年创建的，当时内存是一个真正的问题。

你可以说，在现代的非嵌入式空间中，你可能不想使用C作为编程语言。如果你选择C作为实现的语言，那么你要利用C的优点：它高效、接近底层，从而产生紧凑、快速的二进制文件。

因此，当选择使用C时，仍然希望利用它的优点，包括内存空间效率。在这方面，联合非常有效；允许你具有一定程度的类型安全性，同时强制执行可用的最小内存占用。

- Alan

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实际上，我重新审查C，然后是C ++，然后是C ++中的模板，然后是CLR，然后是C ++ / CLI的原因是因为我正在尝试为.Net List / Dictionary类及其相关类/命名空间创建64位（或更高）索引升级。我有一个需要解决的问题，所以我只是要“修复”我认为有问题的地方。 - user978122

Answer 5

我看到它被用在了《毁灭3 / idTech 4》的快速反平方根算法实现中。

对于那些不熟悉此算法的人，它基本上要求将浮点数视为整数来处理。旧版的Quake（以及更早的版本）通过以下方式实现：

float y = 2.0f;

// treat the bits of y as an integer
long i  = * ( long * ) &y;

// do some stuff with i

// treat the bits of i as a float
y = * ( float * ) &i;

_{GitHub上的原始来源}

这段代码获取浮点数y的地址，将其转换为指向长整型（即Quake时代的32位整数）的指针，并将其解引用为i。然后它执行一些极其奇怪的位操作，再进行反向操作。

这种方法有两个缺点。一个是复杂的取地址、转换、解引用过程强制要求从内存中读取y的值，而不是从寄存器中读取¹，返回时也是如此。然而，在Quake时代的计算机上，浮点寄存器和整数寄存器完全是分开的，因此你几乎必须将其推送到内存中并返回以处理此限制。

第二个缺点是，在C++中，即使像这个函数所做的那样进行巫术般的操作，进行这样的类型转换也是非常不被赞同的。我相信还有更有说服力的论据，但我不确定它们是什么 :)

在《毁灭战士3》中，id公司在他们的新实现中包含了以下代码片段（使用了不同的位操作方法，但思路类似）：

union _flint {
        dword                   i;
        float                   f;
};

...
union _flint seed;
seed.i = /* look up some tables to get this */;
double r = seed.f; // <- access the bits of seed.i as a floating point number

_{GitHub上的原始来源}

理论上，在SSE2机器上，可以通过单个寄存器访问此内容；但实际上，我不确定是否有任何编译器会这样做。在我看来，这仍然比早期Quake版本中的转换代码更加简洁。

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¹ - 忽略“足够先进的编译器”争议

- kibibu