C++联合体（union）：内存共享的精妙艺术

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在C++这门兼具底层控制力与高级抽象能力的语言中，联合体（union） 是一个常被忽视却极具威力的特性。它允许不同类型的数据共享同一块内存空间，既节省内存，又为底层编程、硬件交互和数据解析提供了独特手段。本文将深入剖析C++中union的内存共享机制，揭示其原理、用法、限制与现代替代方案。

什么是联合体？

联合体（union）是一种用户自定义的数据类型，其所有成员共享同一段内存地址。这意味着，在任意时刻，联合体只能“容纳”其中一个成员的值——写入一个成员会覆盖其他成员的数据。

基本语法如下：

C++联合体（union）：内存共享的精妙艺术

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

上述Data联合体的大小由其最大成员决定（此处为char[20]，通常为20字节）。无论你访问i、f还是str，它们都从同一内存地址开始读取。

内存共享机制详解

联合体的核心在于内存重叠。假设我们有如下代码：

union Example {
    int a;      // 4字节
    double b;   // 8字节
};

Example u;
u.a = 100;
std::cout << "a = " << u.a << std::endl;        // 输出 100
std::cout << "b = " << u.b << std::endl;        // 输出未定义值（可能是垃圾数据）

此时，u占用8字节（double的大小）。当我们给a赋值100时，仅前4字节被写入整数100的二进制表示，后4字节保持未初始化状态。若此时读取b，程序会将这8字节整体解释为一个double，结果通常是无意义的浮点数。

这种行为正是联合体“共享内存”的体现：不同类型的视角观察同一块内存。

典型应用场景

1. 节省内存

当多个变量不会同时使用时，联合体可显著减少内存占用。例如在网络协议解析中，一个字段可能表示整数ID或字符串标识符，但不会同时存在：

union PacketField {
    uint32_t id;
    char name[16];
};

相比使用结构体（struct），联合体节省了近一半空间。

2. 类型双关（Type Punning）

联合体常用于在不触发未定义行为的前提下，将一种类型的数据“重新解释”为另一种类型。例如，将float的二进制位作为整数查看：

union FloatBits {
    float f;
    uint32_t i;
};

FloatBits fb;
fb.f = 3.14f;
std::cout << "Float as bits: " << std::hex << fb.i << std::endl;

⚠️ 注意：C++标准对通过联合体进行类型双关的支持存在争议。虽然主流编译器（如GCC、Clang、MSVC）普遍支持，但严格来说，C++标准更推荐使用std::bit_cast（C++20）或memcpy来实现安全的类型双关。

3. 硬件寄存器映射

在嵌入式系统中，硬件寄存器常需按位或按字节访问。联合体可方便地提供多种访问方式：

union Register {
    uint32_t all;        // 整个32位寄存器
    struct {
        uint32_t bit0 : 1;
        uint32_t bit1 : 1;
        // ... 其他位域
        uint32_t reserved : 30;
    } bits;
};

联合体的限制与陷阱

尽管强大，联合体也有诸多限制：

不能包含具有非平凡构造函数/析构函数的成员
在C++98/03中，联合体成员不能是带有自定义构造函数、析构函数或虚函数的类。C++11放宽了此限制，引入了匿名联合体和带构造函数的联合体，但使用仍需谨慎。
无活动成员跟踪
联合体本身不记录当前哪个成员是“活跃”的。程序员必须自行管理状态，否则极易引发未定义行为。
类型安全缺失
编译器无法阻止你写入一个成员后读取另一个，这可能导致逻辑错误或安全漏洞。

现代C++中的替代方案

随着C++标准演进，一些更安全、更清晰的替代方案逐渐出现：

std::variant（C++17）
提供类型安全的“标签联合体”（tagged union），自动跟踪当前活跃类型，并支持访问者模式：
```
std::variant<int, std::string> v = 42;
if (std::holds_alternative<int>(v)) {
  std::cout << std::get<int>(v) << std::endl;
}
```
std::bit_cast（C++20）
安全地实现类型双关，无需依赖联合体的未定义行为：
```
float f = 3.14f;
uint32_t bits = std::bit_cast<uint32_t>(f);
```
std::byte + memcpy
对于底层内存操作，使用std::memcpy复制字节是标准推荐的安全方式。