关于共用体的内存详解

先峰老师

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2022-03-17

转载重点：共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。图形分析影响过程

通过前面的讲解，我们知道结构体（Struct）是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中，还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做共用体（Union），它的定义格式为：

 

  1.  
    union 共用体名{
     
  2.  
        成员列表
     
  3.  
    };
     

 

结构体和共用体的区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。

 结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和（成员之间可能会存在缝隙），共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会把原来成员的值覆盖掉。

 共用体也是一种自定义类型，可以通过它来创建变量，例如：
 

 

  1.  
    union data{
     
  2.  
    int n;
     
  3.  
    char ch;
     
  4.  
    double f;
     
  5.  
    };
     
  6.  
    union data a, b, c;
     


上面是先定义共用体，再创建变量，也可以在定义共用体的同时创建变量：
 

 

  1.  
    union data{
     
  2.  
    int n;
     
  3.  
    char ch;
     
  4.  
    double f;
     
  5.  
    } a, b, c;
     


如果不再定义新的变量，也可以将共用体的名字省略：
 

 

  1.  
    union{
     
  2.  
    int n;
     
  3.  
    char ch;
     
  4.  
    double f;
     
  5.  
    } a, b, c;
     


共用体 data 中，成员 f 占用的内存最多，为 8 个字节，所以 data 类型的变量（也就是 a、b、c）也占用 8 个字节的内存，请看下面的演示：
 

 

  1.  
    #include <stdio.h>
     
  3.  
    union data{
     
  4.  
    int n;
     
  5.  
    char ch;
     
  6.  
    short m;
     
  7.  
    };
     
  9.  
    int main(){
     
  10.  
    union data a;
     
  11.  
    printf("%d, %d\n", sizeof(a), sizeof(union data) );
     
  12.  
    a.n = 0x40;
     
  13.  
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
     
  14.  
    a.ch = '9';
     
  15.  
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
     
  16.  
    a.m = 0x2059;
     
  17.  
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
     
  18.  
    a.n = 0x3E25AD54;
     
  19.  
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
     
  21.  
    return 0;
     
  22.  
    }
     


运行结果：
 

 

  1.  
    4, 4
     
  2.  
    40, @, 40
     
  3.  
    39, 9, 39
     
  4.  
    2059, Y, 2059
     
  5.  
    3E25AD54, T, AD54
     


这段代码不但验证了共用体的长度，还说明共用体成员之间会相互影响，修改一个成员的值会影响其他成员。

 要想理解上面的输出结果，弄清成员之间究竟是如何相互影响的，就得了解各个成员在内存中的分布。以上面的 data 为例，各个成员在内存中的分布如下：

 成员 n、ch、m 在内存中“对齐”到一头，对 ch 赋值修改的是前一个字节，对 m 赋值修改的是前两个字节，对 n 赋值修改的是全部字节。也就是说，ch、m 会影响到 n 的一部分数据，而 n 会影响到 ch、m 的全部数据。

 上图是在绝大多数 PC 机上的内存分布情况，如果是 51 单片机，情况就会有所不同：

 为什么不同的机器会有不同的分布情况呢？这跟机器的存储模式有关，我们将在VIP教程《大端小端以及判别方式》一节中展开探讨。
 

共用体的应用
 

共用体在一般的编程中应用较少，在单片机中应用较多。对于 PC 机，经常使用到的一个实例是： 现有一张关于学生信息和教师信息的表格。学生信息包括姓名、编号、性别、职业、分数，教师的信息包括姓名、编号、性别、职业、教学科目。请看下面的表格：
 

 
Name
 		 
Num
 		 
Sex
 		 
Profession
 		 
Score / Course
 
HanXiaoXiao 
501
 		 
f
 		 
s
 		 
89.5
 
YanWeiMin 
1011
 		 
m
 		 
t
 		 
math
 
LiuZhenTao 
109
 		 
f
 		 
t
 		 
English
 
ZhaoFeiYan 
982
 		 
m
 		 
s
 		 
95.0
 



 f 和 m 分别表示女性和男性，s 表示学生，t 表示教师。可以看出，学生和教师所包含的数据是不同的。现在要求把这些信息放在同一个表格中，并设计程序输入人员信息然后输出。

 如果把每个人的信息都看作一个结构体变量的话，那么教师和学生的前 4 个成员变量是一样的，第 5 个成员变量可能是 score 或者 course。当第 4 个成员变量的值是 s 的时候，第 5 个成员变量就是 score；当第 4 个成员变量的值是 t 的时候，第 5 个成员变量就是 course。

 经过上面的分析，我们可以设计一个包含共用体的结构体，请看下面的代码：
 

 

  1.  
    #include <stdio.h>
     
  2.  
    #include <stdlib.h>
     
  4.  
    #define TOTAL 4 //人员总数
     
  6.  
    struct{
     
  7.  
    char name[20];
     
  8.  
    int num;
     
  9.  
    char sex;
     
  10.  
    char profession;
     
  11.  
    union{
     
  12.  
    float score;
     
  13.  
    char course[20];
     
  14.  
    } sc;
     
  15.  
    } bodys[TOTAL];
     
  17.  
    int main()
     
  18.  
    {
     
  19.  
    int i;
     
  20.  
    //输入人员信息
     
  21.  
    for(i=0; i<TOTAL; i++)
     
  22.  
    {
     
  23.  
    printf("Input info: ");
     
  24.  
    scanf("%s %d %c %c", bodys[i].name, &(bodys[i].num), &(bodys[i].sex) &(bodys[i].profession)); 
     
  26.  
    if(bodys[i].profession == 's')
     
  27.  
    { //如果是学生
     
  28.  
    scanf("%f", &bodys[i].sc.score);
     
  29.  
    }
     
  30.  
    else
     
  31.  
    { //如果是老师
     
  32.  
    scanf("%s", bodys[i].sc.course);
     
  33.  
    }
     
  34.  
    fflush(stdin);
     
  35.  
    }
     
  37.  
    //输出人员信息
     
  38.  
    printf("\nName\t\tNum\tSex\tProfession\tScore / Course\n");
     
  39.  
    for(i=0; i<TOTAL; i++)
     
  40.  
    {
     
  41.  
    if(bodys[i].profession == 's')
     
  42.  
    { 
     
  43.  
    //如果是学生
     
  44.  
    printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%f\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.score);
     
  46.  
    }
     
  47.  
    else
     
  48.  
    { 
     
  49.  
    //如果是老师
     
  50.  
    printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%s\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.course);
     
  52.  
    }
     
  53.  
    }
     
  55.  
    return 0;
     
  57.  
    }
     


运行结果：
 

 

  1.  
    Input info: HanXiaoXiao 501 f s 89.5↙
     
  2.  
    Input info: YanWeiMin 1011 m t math↙
     
  3.  
    Input info: LiuZhenTao 109 f t English↙
     
  4.  
    Input info: ZhaoFeiYan 982 m s 95.0↙
     
  6.  
    Name Num Sex Profession Score / Course
     
  7.  
    HanXiaoXiao 501 f s 89.500000
     
  8.  
    YanWeiMin 1011 m t math
     
  9.  
    LiuZhenTao 109 f t English
     
  10.  
    ZhaoFeiYan 982 m s 95.000000
     
 
 
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