联合（Union）和结构体（Struct）有何不同？其他编程语言是否也有类似的结构？

Question

我看到了这段C语言中的联合体代码：

可能是重复问题：
C语言中结构体和联合体的区别

代码如下：

    union time
    {
      long simpleDate;
      double perciseDate;
    } mytime;

在C语言中，联合体和结构体有什么区别？你会在哪里使用联合体，它有什么好处？Java、C++或Python中是否有类似的结构？

- Sajad Bahmani

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在C语言中，结构体（structure）和联合体（union）是两种不同的用户定义类型。它们都允许您组合不同类型的变量以创建一个自定义数据类型。但是，它们之间有几个重要的区别。结构体存储每个成员变量的值，并且在内存中按顺序分配空间。相反，联合体只能同时存储一个成员变量的值，并且所有成员变量共享相同的内存空间。这意味着联合体可以节省内存空间，但是也意味着在任何时候只能使用其中一个成员变量的值。 - Michael Todd

不是技术上的重复，因为问题还涉及其他语言。 - Alice Purcell

Answer 1

一个联合体在内存中的行为就像所有成员都在同一位置上，彼此重叠。

当你想要表示某种“通用”值或可以是一组类型中的任何一种类型的值时，这是非常有用的。由于字段重叠，只有在知道先前已初始化了哪个字段时，才能合法地访问字段。尽管如此，由于 C 不会检查这一点，许多编译器会生成允许这样做的代码，因此这是一种常见的技巧，例如：

union {
 int integer;
 float real;
} convert;

convert.real = 3.14;
printf("The float %f interpreted as an integer is %08x", convert.real, convert.integer);

如果您更加注重代码的规范性，需要跟踪联合类型中最后存储的内容，可以像下面这样实现：

typedef enum { INTEGER = 0, REAL, BOOLEAN, STRING } ValueType;

typedef struct {
  ValueType type;
  union {
  int integer;
  float real;
  char boolean;
  char *string;
  } x;
} Value;

需要注意的是，这里的联合实际上是包围结构体 Value 中的一个字段。访问可能看起来像这样：

void value_set_integer(Value *value, int x)
{
  value->type = INTEGER;
  value->x.integer = x;
}

这个记录表明联合体的当前内容是一个整数，并存储给定的值。例如，用于打印Value的函数可以检查type成员，并执行正确的操作：

void value_print(const Value *value)
{
  switch(value->type)
  {
  case INTEGER:
    printf("%d\n", value->x.integer);
    break;
  case REAL:
    printf("%g\n", value->x.real);
    break;
  /* ... and so on ... */
  }
}

Java中没有相应的功能。C++几乎是C的超集，具有相同的功能。它甚至比C的实现更胜一筹，并允许使用匿名联合。在C++中，上述代码可以不命名内部联合(x)而写成，这会使代码变得更短。

- unwind

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重叠有问题吗？ - Sajad Bahmani

重叠的问题在于你不知道最后写入了什么。除了少数孤立的情况外，它们使用起来很危险，但在那些情况下非常方便。 - San Jacinto

“overlapping” 可能是描述联合体最优雅的方式，这个用语非常恰当。 - Doug T.

Answer 2

所以在你的例子中，当我分配时间时：

int main()
{
    time t;
}

编译器可以将 &t 处的内存解释为 long 类型之一：

t.simpleDate;

或者好像它是一个双精度浮点数：

t.perciseDate;

因此，如果t处的内存原始十六进制值如下：

0x12345678;

那个值可以被“解析”为双精度或长整型，取决于如何访问它。因此，为了使其有用，您必须知道长整型和双精度在内存中的打包和格式化方式。例如，长整型将是2补码有符号整数，您可以在这里阅读有关此内容的信息。您可以在这里了解如何以二进制格式格式化双精度。

然而，结构体只是将单独的变量分组，并将不同的地址间隔组合成一个内存块。

（请注意，您的示例可能存在危险，因为sizeof（long）可能为32位，而sizeof（double）始终为64位）

当您想要“原始”表示（如char数组）和“消息”表示时，通常会使用联合。例如，要通过套接字发送的消息：

struct Msg
{
   int msgType;
   double Val1;
   double Val2;
}; // assuming packing on 32-bit boundary

union
{
   Msg msg;
   unsigned char msgAsBinary[20];
};

希望这有所帮助。

- Doug T.

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这个答案比目前发布的其他答案好多了。 - San Jacinto

要让它有用，你需要知道长整型和双精度浮点数的打包和格式化方式。联合体的一个用途是写入一个成员，然后读取另一个成员，以获得某种重新解释转换。对于这种用途，您需要了解存储表示。但是还有另一种（最初预期的）用途，即存储任何一个成员，记住您所存储的内容，然后读回相同的成员。目的是在永远不需要同时使用两者时节约内存。对于此用途，格式无关紧要，标准并不保证，但大多数编译器都支持。 - Steve Jessop

@Steve Jessop：又一个评论（+1）提供了关键要点，应该合并到答案中。 - TheBlastOne

Answer 3

联合体（Union）让你以多种方式解释一个内存位置（原始的，二进制值）。

我曾经使用过一个例子，就是访问 uint32 的各个字节。

union {
  uint32 int;
  char bytes[4];
} uint_bytes;

联合体（union）提供了多种访问同一内存的方式。

联合体类型的大小等于联合体中最大类型的大小。

- gnud

Answer 4

一个联合体是一种节省空间的存储“一种”多种类型的方式。它不提供重新发现存储在其中的类型的机制；这必须在外部确定。从技术上讲，在联合体中访问“错误”的类型（即未初始化的类型）会导致未定义的行为；在实践中，它通常会导致位级转换，并经常被用作执行此操作的一种方式。

虽然“union”类型在C++中存在（C++是C的超集），但大多数C++类型不能安全地存储在其中（具体而言，联合体只能容纳POD类型，即具有默认复制构造函数、默认析构函数和无虚方法的类）。如果你想要一个在C++中等效于联合体的节省空间、基于堆栈的对象存储方式，可以尝试使用Boost.Variant。

在其他不太关注堆栈分配的语言中，多态性可以完成联合的工作。在Java中，所有东西都继承自Object，因此可以使用Object*来表示 任何 对象；或者您可以使用一个公共的超类或接口来限制对象集，以支持特定一组操作。

在Python中，任何变量都可以保存任何对象，因此从某种意义上说，所有变量都是联合的。通常情况下，您不需要确定变量中存储的类型；相反，使用 鸭子类型 -- 即查找它支持的方法而不是它实现的类型/接口。

- Alice Purcell

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在Java和Python（struct模块）中进行位级转换的示例将使其成为最完整的答案。 - Denis Otkidach

既然联合体严格来说不应该用于位级转换，那我想我不再回答这个问题了 ;) - Alice Purcell

Answer 5

联合体可以用来存储其任意一个成员，但是（与结构体不同）不能同时存储多个成员。您可以将其视为包含足够的空间以存储其最大的成员，并且重复使用相同的存储空间，用于实际分配值的任何成员。

C++也有联合体。Java没有。Python中的对象成员与C完全不同，它们存储在字典中而不是按顺序在内存中排列。我不知道Python是否有一些方便的库类，可以像C中那样充当联合体，但它不像在C中那样是对象的基本组成部分。

- Steve Jessop

Answer 6

使用结构体时，每个数据项都有自己的内存位置，但是使用联合时，一次只使用一个数据项，并且为每个数据项分配的内存位于共享内存中。联合的数据项只会共享一个内存位置。联合的大小将是最大变量的大小。

这可能是有益的，因为有时我们可能不需要复杂数据结构中所有（相关）数据项的数据，并且仅存储/访问一个数据项。在这种情况下，联合有助于解决问题。

- MarkPowell

Answer 7

联合体只能同时使用一个成员，而结构体中所有成员都驻留在内存中。对于联合体，分配的空间大小为其包含的最长元素的大小。

- pushkarpriyadarshi