1. 聯(lián)合體

C語言中的聯(lián)合體（Union）是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它允許在同一內(nèi)存位置存儲不同類型的數(shù)據(jù)。不同于結(jié)構(gòu)體（struct），結(jié)構(gòu)體的成員各自占有獨立的內(nèi)存空間，而聯(lián)合體的所有成員共享同一塊內(nèi)存區(qū)域。這意味著在同一時間，聯(lián)合體中只能存儲一個成員的值，其他成員會被覆蓋。

1.1 聯(lián)合體的基本語法

聯(lián)合體的聲明與結(jié)構(gòu)體相似，使用關(guān)鍵字union來定義。

編譯器只為最大的成員分配足夠的內(nèi)存空間。聯(lián)合體的特點是所有成員共用同一塊內(nèi)存空間。所以聯(lián)合體也叫：共用體。

一個簡單的聯(lián)合體例子如下：

#include <stdio.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 = %.2f\n", data.f);// 注意，data.i的值會被覆蓋printf("data.i = %d\n", data.i); // 這個值會發(fā)生變化return 0;
}

1.2 聯(lián)合體的內(nèi)存分配與大小計算

在C語言中，聯(lián)合體的所有成員都共享同一塊內(nèi)存區(qū)域。當(dāng)你定義一個聯(lián)合體時，它的內(nèi)存空間并不會為每個成員分配獨立的內(nèi)存，而是為所有成員分配一塊共享的內(nèi)存區(qū)域。這樣，聯(lián)合體的內(nèi)存大小至少等于成員中最大類型的成員大小。

舉個例子：

#include <stdio.h>union Data {int i;       // 4 字節(jié)float f;     // 4 字節(jié)char str[20]; // 20 字節(jié)
};int main() {printf("Size of union Data: %lu\n", sizeof(union Data));return 0;
}

解釋：

• int i 通常占用 4 字節(jié)。
• float f 通常也占用 4 字節(jié)。
• char str[20] 占用 20 字節(jié)（每個字符占 1 字節(jié)）。

由于聯(lián)合體的成員共享內(nèi)存，它的大小等于其中最大成員的大小。在這個例子中，char str[20] 的大小是 20 字節(jié)，因此聯(lián)合體的大小會是 20 字節(jié)。換句話說，聯(lián)合體的內(nèi)存分配通常是由它的最大成員決定的，且內(nèi)存中只能保存一個成員的數(shù)據(jù)。

輸出：

Size of union Data: 20

1.2.1 聯(lián)合體的內(nèi)存對齊

除了最大成員的大小外，還要注意內(nèi)存對齊（memory alignment）。C語言中，對于每個數(shù)據(jù)類型，通常都有對齊要求。具體對齊方式與系統(tǒng)架構(gòu)、編譯器有關(guān)（在C語言第17節(jié)：自定義類型——結(jié)構(gòu)體已經(jīng)講過了，點擊鏈接即可查看）。內(nèi)存對齊的目的是為了提高訪問效率，因此編譯器往往會將數(shù)據(jù)類型按一定的字節(jié)邊界對齊（例如，4字節(jié)對齊、8字節(jié)對齊等）。

內(nèi)存對齊的示例：

假設(shè)我們使用的是32位或64位的架構(gòu)，它可能要求對齊到4字節(jié)邊界。我們來觀察一下一個包含不同類型成員的聯(lián)合體的內(nèi)存分配。

// VS2022 MSVC
#include <stdio.h>union Example {char c;    // 1 字節(jié)int i;     // 4 字節(jié)double d;  // 8 字節(jié)
};int main() {printf("Size of union Example: %lu\n", sizeof(union Example));return 0;
}

解釋：

• char c 占用 1 字節(jié)。
• int i 占用 4 字節(jié)。
• double d 占用 8 字節(jié)。

但由于內(nèi)存對齊的原因，聯(lián)合體的實際大小可能會比這些單獨成員的大小之和要大。通常，為了提高訪問速度，編譯器會插入一些填充字節(jié)（padding），使得聯(lián)合體的內(nèi)存大小是最大對齊數(shù)的倍數(shù)。

輸出：

Size of union Example: 8

為什么是8字節(jié)呢？因為聯(lián)合體中最大成員是double d，它的大小是8字節(jié)，而且對齊數(shù)也是8。因此，整個聯(lián)合體的大小會是8字節(jié)。

1.2.2 聯(lián)合體內(nèi)存分配的詳細(xì)說明

1. 成員共享內(nèi)存：
   • 聯(lián)合體中的所有成員共享同一塊內(nèi)存區(qū)域。在任何時刻，聯(lián)合體的內(nèi)存中只會保存一個成員的值。
   • 聯(lián)合體的大小通常由最大成員的大小決定，因為它必須能夠容納最大成員的數(shù)據(jù)。
2. 內(nèi)存對齊：
   • 編譯器為了提高數(shù)據(jù)訪問的效率，會根據(jù)平臺的對齊要求插入填充字節(jié)（padding）。內(nèi)存對齊確保數(shù)據(jù)按適當(dāng)?shù)淖止?jié)邊界存放（例如，4字節(jié)對齊、8字節(jié)對齊），從而使得CPU可以更快速地訪問這些數(shù)據(jù)。
   • 在一些平臺上，數(shù)據(jù)類型可能有特定的對齊要求。
3. 聯(lián)合體的大小計算：
   • 聯(lián)合體的大小通常等于其最大成員的大小，但是，為了滿足內(nèi)存對齊的要求，聯(lián)合體的實際大小可能會大于最大成員的大小。它會被填充到最接近對齊要求的倍數(shù)。
   • 內(nèi)存對齊填充通常是由編譯器自動管理的，但了解這一點對于理解聯(lián)合體的內(nèi)存分配非常重要。

1.2.3 進一步的例子：多成員聯(lián)合體與內(nèi)存對齊

假設(shè)我們有一個更復(fù)雜的聯(lián)合體，其中包含不同類型的數(shù)據(jù)，并且考慮到內(nèi)存對齊的影響：

#include <stdio.h>union Complex {char c[21];    // 21 字節(jié)int i;         // 4 字節(jié)double d;      // 8 字節(jié)short s;       // 2 字節(jié)
};int main() {printf("Size of union Complex: %lu\n", sizeof(union Complex));return 0;
}

分析：

• char c[21]：這是一個字符數(shù)組，它占用21字節(jié)（每個字符占1字節(jié)）。沒有對齊要求。
• int i：整數(shù)類型，通常占用4字節(jié)。要求 4 字節(jié)對齊，即它會被存儲在4字節(jié)對齊的位置。
• double d：雙精度浮點類型，通常占用8字節(jié)。要求 8 字節(jié)對齊，因此它會被存儲在8字節(jié)對齊的位置。
• short s：短整型，通常占用2字節(jié)。要求 2 字節(jié)對齊，它會被存儲在2字節(jié)對齊的位置。

聯(lián)合體的實際大小

• 聯(lián)合體的大小由最大對齊數(shù)決定。在這個例子中，最大成員是 double d（雖然 char c[21] 占用了 21 字節(jié)，但是其對齊數(shù)取決于存儲的元素，即其對齊數(shù)為 char 的對齊數(shù)1），它的大小是 8 字節(jié)，其對齊數(shù)為 8 。因此，聯(lián)合體的大小將是 8 字節(jié)的倍數(shù)。
• 即使 char c[21] 占用了 21 字節(jié)，但聯(lián)合體的總大小會由于對齊要求被填充到適合最大成員對齊的大小。

因此，聯(lián)合體的實際大小會是 24 字節(jié)。 這是因為：

• double d 會占用 8 字節(jié)，并且需要 8 字節(jié)對齊，因此聯(lián)合體的總大小將被填充到最接近8字節(jié)對齊的倍數(shù)，即 24 字節(jié)。

1.2.4 總結(jié)

• 聯(lián)合的大小至少是最大成員的大小。
• 當(dāng)最大成員大小不是最大對齊數(shù)的整數(shù)倍的時候，就要對齊到最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。

1.3 聯(lián)合體的特點

1. 共享內(nèi)存：聯(lián)合體的所有成員共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，因此一個聯(lián)合變量的大小，至少是最大成員的大小。

   例子：

   #include <stdio.h>union Data {int i;float f;char str[20];
   };int main() {union Data data;printf("&data:    %p\n", &data);printf("&data.i:  %p\n", &data.i);printf("&data.f:  %p\n", &data.f);printf("data.str: %p\n", data.str);return 0;
   }
   

   

2. 只能存儲一個成員的值：每次只能訪問聯(lián)合體中的一個成員。給一個成員賦值時，其他成員的值會被覆蓋。

3. 節(jié)省內(nèi)存空間：聯(lián)合體在節(jié)省內(nèi)存方面非常有用，尤其是當(dāng)你需要存儲多種不同類型的數(shù)據(jù)，但在任何時刻只需要其中一個類型的數(shù)據(jù)時。

   例子：

   #include <stdio.h>
   #include <string.h>
   union Data {int i;float f;char str[20];
   };int main() {union Data data;strcpy(data.str, "abcdefgh");data.i = 0x11223344;return 0;
   }
   

1.4 訪問聯(lián)合體成員

聯(lián)合體成員可以通過.（點）操作符訪問。例如：

union Data data;
data.i = 100;
printf("data.i = %d\n", data.i); // 輸出100data.f = 98.6;
printf("data.f = %.2f\n", data.f); // 輸出98.6

1.5 聯(lián)合體的使用場景

1.5.1 場景①

在網(wǎng)絡(luò)通信中，我們經(jīng)常需要處理不同類型的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包的內(nèi)容可能會根據(jù)協(xié)議的不同而有所不同。例如，有些協(xié)議可能傳輸整數(shù)數(shù)據(jù)，有些可能傳輸浮動數(shù)數(shù)據(jù)，還有些可能傳輸字符串?dāng)?shù)據(jù)。在這種情況下，我們可以使用聯(lián)合體來處理這些不同的數(shù)據(jù)格式。

場景描述：

假設(shè)你正在開發(fā)一個通信協(xié)議處理程序，該程序需要解析網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包的類型和內(nèi)容可能會有所不同，但在任何時刻，每個數(shù)據(jù)包只會包含一種類型的數(shù)據(jù)。為了節(jié)省內(nèi)存，你可以使用聯(lián)合體來存儲不同類型的數(shù)據(jù)。

1. 協(xié)議A 可能會傳輸一個 整數(shù)（比如用戶ID）。
2. 協(xié)議B 可能會傳輸一個 浮動數(shù)（比如溫度傳感器的數(shù)據(jù)）。
3. 協(xié)議C 可能會傳輸一個 字符串（比如設(shè)備狀態(tài)信息）。

通過聯(lián)合體，你可以為這些數(shù)據(jù)包定義一個結(jié)構(gòu)，使得它們共享同一塊內(nèi)存。每次你收到一個數(shù)據(jù)包時，根據(jù)協(xié)議類型，你可以決定是存儲整數(shù)、浮動數(shù)，還是字符串，但內(nèi)存中始終只有一種數(shù)據(jù)。

優(yōu)勢：

• 節(jié)省內(nèi)存：由于不同數(shù)據(jù)類型共享內(nèi)存，只有在需要時，才會使用最大類型的內(nèi)存（例如字符串可能占用更多的字節(jié)）。
• 靈活性：能夠處理不同協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，只需要用一個聯(lián)合體存儲數(shù)據(jù)。

這個場景在 網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式系統(tǒng)、文件格式解析 等領(lǐng)域非常常見，特別是在需要處理多種類型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。

1.5.2 場景②

姓名	性別	年齡	婚姻狀況						婚姻狀況標(biāo)記
			未婚	已婚			離婚
				結(jié)婚日期	配偶姓名	子女?dāng)?shù)量	離婚日期	子女?dāng)?shù)量

struct Person					// 定義職工個人信息結(jié)構(gòu)體類型
{char name[20];				// 姓名char sex;					// 性別int age;					// 年齡union MaritalState marital; // 婚姻狀況int marryFlag;				// 婚姻狀況標(biāo)記
};union MaritalState					// 定義婚姻情況共用體
{int single;						// 未婚struct MarriedState married;	// 已婚struct DivorceState divorce;	// 離婚
};struct MarriedState			// 定義已婚結(jié)構(gòu)體類型
{struct Date marryDay;   // 結(jié)婚日期char spouseName[20];	// 配偶姓名int child;				// 子女?dāng)?shù)量
};struct DivorceState			// 定義離婚結(jié)構(gòu)體類型
{struct Date divorceDay; // 離婚日期int child;				// 子女?dāng)?shù)量
};struct Date
{int year;short month;short day;
};

1.6 聯(lián)合體判斷大小端

int check_sys()
{union{int i;char c;}un;un.i = 1;return un.c;//返回1是小端，返回0是大端
}

在C語言第16節(jié)：數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲已經(jīng)講過，這里不再贅述。

2. 枚舉類型

C語言中的枚舉類型（enum）是一種用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，用于表示一組具名的常量。枚舉類型將一組相關(guān)的常量組合在一起，并賦予它們有意義的名字。使用枚舉可以使程序的代碼更加清晰、易于理解和維護。

一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一 一列舉

性別有：男、女、保密，也可以一 一列舉

月份有12個月，也可以一 一列舉

三原色，也是可以一 一列舉

2.1 枚舉類型的基本語法

定義枚舉類型的語法如下：

enum 枚舉名 {常量1 = 值1,常量2 = 值2,常量3 = 值3,...
};

• 枚舉名 是枚舉類型的名稱。
• 常量 是枚舉中的各個值，通常是一些具名常量，默認(rèn)情況下，枚舉常量從 0 開始，依次遞增，除非你為它們指定了不同的值。

2.1.1 例子：基本枚舉類型

#include <stdio.h>enum Day {Sunday,    // 默認(rèn)值為 0Monday,    // 默認(rèn)值為 1Tuesday,   // 默認(rèn)值為 2Wednesday, // 默認(rèn)值為 3Thursday,  // 默認(rèn)值為 4Friday,    // 默認(rèn)值為 5Saturday   // 默認(rèn)值為 6
};int main() {enum Day today;today = Wednesday;  // today 被賦值為 3printf("Today is day number: %d\n", today);  // 輸出：Today is day number: 3return 0;
}

2.2 枚舉常量的默認(rèn)值

如果你沒有為枚舉常量指定值，默認(rèn)情況下，第一個常量的值為 0，后續(xù)常量的值依次遞增 1。例如，在上面的代碼中，Sunday 默認(rèn)值為 0，Monday 為 1，依此類推。

2.3 枚舉常量的自定義值

你可以手動為枚舉常量指定值。這意味著你可以設(shè)置任意值，而不依賴于默認(rèn)的遞增規(guī)則。

#include <stdio.h>enum Day {Sunday = 1,    // 設(shè)定為 1Monday = 2,    // 設(shè)定為 2Tuesday = 5,   // 設(shè)定為 5Wednesday = 7, // 設(shè)定為 7Thursday,      // 默認(rèn)遞增，從 8 開始Friday,        // 9Saturday       // 10
};int main() {enum Day today;today = Thursday;  // today 被賦值為 8printf("Today is day number: %d\n", today);  // 輸出：Today is day number: 8return 0;
}

在這個例子中，Sunday 和 Monday 的值分別被設(shè)置為 1 和 2，而其他常量則從 Wednesday 開始自動遞增。

2.4 枚舉類型的實際應(yīng)用

枚舉常常用于表示一些固定的狀態(tài)或選項，比如星期幾、顏色、方向、狀態(tài)碼等。它能夠使代碼更加清晰，減少硬編碼的數(shù)字。

2.4.1 例子：使用枚舉表示交通信號燈的狀態(tài)

#include <stdio.h>enum TrafficLight {Red,        // 0Yellow,     // 1Green       // 2
};int main() {enum TrafficLight signal;signal = Green;if (signal == Green) {printf("Go!\n");} else if (signal == Yellow) {printf("Caution!\n");} else {printf("Stop!\n");}return 0;
}

在這個例子中，TrafficLight 枚舉表示了交通信號燈的三個狀態(tài)：紅燈、黃燈和綠燈。每個狀態(tài)有一個默認(rèn)的整數(shù)值：Red 為 0，Yellow 為 1，Green 為 2。通過這種方式，代碼更易理解，避免了使用數(shù)字來表示信號燈的狀態(tài)。

2.5 枚舉類型的大小

在 C 語言中，枚舉類型的大小與編譯器的實現(xiàn)有關(guān)。通常，編譯器會根據(jù)枚舉常量的取值范圍來決定枚舉類型的存儲大小。如果枚舉的值在 int 類型的范圍內(nèi)，編譯器通常會選擇 int 類型來存儲枚舉值。但有些編譯器可能根據(jù)需要進行優(yōu)化，使用較小的存儲類型。

可以使用 sizeof 來查看枚舉類型的大小：

#include <stdio.h>enum Color {Red = 1,Green,Blue
};int main() {printf("Size of enum Color: %lu\n", sizeof(enum Color));  // 輸出枚舉類型的大小return 0;
}

2.6 枚舉類型的轉(zhuǎn)換

枚舉常量本質(zhì)上是整數(shù)，因此可以將它們轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型，或者將整數(shù)值賦給枚舉變量。但要注意，這種做法可能會導(dǎo)致不符合預(yù)期的結(jié)果。

#include <stdio.h>enum Day {Sunday = 1,Monday = 2,Tuesday = 3
};int main() {enum Day today;today = 2;  // 可以將整數(shù)賦給枚舉變量printf("Today is day number: %d\n", today);  // 輸出：Today is day number: 2return 0;
}

拿整數(shù)給枚舉變量賦值在C語言中是可以的，但是在C++是不行的，C++的類型檢查比較嚴(yán)格。

2.7 枚舉的優(yōu)勢

• 提高代碼可讀性：枚舉常量有具名的標(biāo)識符，使代碼更具語義。
• 減少硬編碼數(shù)字：避免了在代碼中使用沒有含義的數(shù)字常量。
• 防止非法值：枚舉確保變量只能取定義好的值。
• 簡化調(diào)試：具名常量方便在調(diào)試時辨識。
• 增強維護性：修改枚舉值時，只需要更改枚舉定義，無需修改多個代碼位置。
• 與 switch 語句結(jié)合使用：枚舉常量使得 switch 語句的條件判斷更加清晰。
• 支持位域：與位運算結(jié)合使用，可以用來表示多個標(biāo)志位。

—完—