【C语言】一篇文章深入解析联合体和枚举且和结构体的区别

📝前言

联合体（union）是允许一个变量通过不同的接口访问内存的一种数据类型，表示一个变量可以存储不同类型的值，而枚举是使用enum关键字定义一组相关且互斥的整形常量集合。本章阿森将和你学习联合体类型的声明，特点，有关大小的计算，还有枚举类型的声明，优点和使用。文章干货满满！学习起来吧😃！

🌠 联合体类型的声明

同结构体一样，声明结构体类型需要使用struct关键字，联合体则用union关键字。

1. 包含对象名的声明方式：

union 联合体名
{
  类型 成员1;
  类型 成员2;
  ... 
  类型 成员n;
}对象名;

• 代码理解：

#include <stdio.h>

union S
{
	char c;
	int a;
}s1;

int main()
{
	s1.c = 'a';
	printf("%c\n", s1.c);

	s1.a = 10;
	printf("%d\n", s1.a);

	return 0;
}

代码运行：

2. 不包含对象名的声明格式：

union 类型名 
{ 
  类型 成员1;
  类型 成员2;
  ... 
  类型 成员n;
};

• 代码实现：

#include <stdio.h>

union S
{
	char c;
	int a;
};

int main()
{
	union S s2;

	s2.c = 'b';
	printf("%c\n", s2.c);

	s2.a = 20;
	printf("%d\n", s2.a);

	return 0;
}

运行：

🌉联合体的特点

1. 编译器只为最⼤的成员分配⾜够的内存空间。联合体的特点是所有成员共⽤同⼀块内存空间。所以联合体也叫：共⽤体。

例如：

union u
{
	char c;
	int u;
};

int main()
{
	union u uu;
	printf("联合体uu的大小为%zd\n", sizeof(uu));
	printf("   (uu)地址为%p\n", &uu);
	printf("&(uu.c)地址为%p\n", &(uu.c));
	printf("&(uu.u)地址为%p\n", &(uu.u));

	return 0;
}

输出：

图解：

2. 联合的成员是共⽤同⼀块内存空间的，这样⼀个联合变量的⼤⼩，⾄少是最⼤成员的⼤⼩（因为联合⾄少得有能⼒保存最⼤的那个成员）。

//联合类型的声明
union u
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	//联合变量的定义
	union u uu = { 0 };
	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	printf("%x\n", uu.i);
	return 0;
}

输出：

图解：

union定义了int和char两个成员，共享同一块内存空间，int类型占4个字节，低地址在前，高地址在后，char类型只占1个字节，存储在int的低地址字节。当执行：uu.i = 0x11223344时，此时int的4个字节分别存储如图，然后执行： uu.c = 0x55，由于VS是小端存储，低字节放在低地址处，char只占1个字节，它会覆盖int低地址的那个字节。所以int原来低地址字节0x44被覆盖为0x55。

🌠相同成员的结构体和联合体对⽐

结构体和联合体的主要区别在于：

• 结构体中每个成员占用自己独立的内存空间，可以同时访问每个成员。
• 联合体中所有成员共享同一块内存空间，只能同时访问其中一个成员。

1. 内存布局：
   结构体中每个成员都有固定的偏移地址，占用独立的内存空间。
   联合体中所有成员共享同一块内存，没有偏移地址，只能使用一个成员。

2. 访问成员：
   结构体可以同时读取各个成员的值。
   联合体只能访问当前使用的成员，其他成员的值将被覆盖。

3. 大小：
   结构体的大小是所有成员大小的和。
   联合体的大小至少是最大成员的大小。

• 结构体：

struct S
{
 char c;
 int i;
};
struct S s = {0};

• 联合体：

union u
{
	char c;
	int i;
};
union u uu = { 0 };

图解对比：
结构体S占用char + int+有可能开辟浪费的空间大小的内存，可以独立访问c和i，联合体u只占用int大小的内存，访问c或i时值会覆盖，结构体各成员独立，联合体成员共享同一内存空间。

🌉联合体⼤⼩的计算

点击可以查看结构体的内存对齐规则——>【C语言】自定义类型：结构体深入解析（二）结构体内存对齐&&宏offsetof计算偏移量&&结构体传参
联合体大小计算规则：

1. 联合的⼤⼩⾄少是最⼤成员的⼤⼩。
2. 当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候，就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。

• 来代码理解：

union Un1
{
    char c[5];
    int i;
};

union Un2
{
    short c[7];
    int i;
};

int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(union Un1));//8
    printf("%zd\n", sizeof(union Un2));//16

    return 0;
}

运行：

图解分析：

首先看union Un1如果联合体的大小是最大成员的最大成员的的大小，在联合体union Un1中，char[5]的大小理应是5，那计算的结果不是5。为什么是8呢？这是因为它完成了对齐的操作，如果是数组，是按元素类型大小来算他的对齐数的。char 元素的类型大小是1，VS默认对齐数是8，对齐数是8，i 的大小是4，VS默认对齐数是8，对齐数是4，接下来（4>1）整个联合体的对齐数是4，根据当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候，就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。此时最大成员大小是数组char [5]大小为5,5不是4的整数倍，8（4*2）是4的整数倍。是不是真的是这样呢？会不会是偶然呢？

接下来我们看第二组：union Un2首先short c[7]是数组，总大小为14，然后由于数组是按照元素的类型大小来算对齐数，类型为short类型大小为2，VS默认对齐数为8，对齐数为2（2<8），i的大小是4，VS默认对齐数是8，那么对齐数是4（4<8），然后整个联合体的对齐数是4（4>2），然后看成员最大对齐数的大小（short c[7]的大小是2*7=14）是不是整个联合体的对齐数（4）的整数倍，可见14不是4的整数倍， 根据第二条规则：当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候，就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。因此还要多用2个字节，升到16（4*4）个字节才是整数倍。
联合体的对齐规则与结构体相似：
点击可以查看结构体的内存对齐规则——>【C语言】自定义类型：结构体深入解析（二）结构体内存对齐&&宏offsetof计算偏移量&&结构体传参

🌠联合体应用

使⽤联合体是可以节省空间的：
⽐如，我们要搞⼀个活动，要上线⼀个礼品兑换单，礼品兑换单中有三种商品：图书、杯⼦、衬衫。
每⼀种商品都有：库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息。
图书：书名、作者、⻚数
杯⼦：设计
衬衫：设计、可选颜⾊、可选尺⼨

结构体表示：

struct gift_list
{
 //公共属性
 int stock_number;//库存量
 double price; //定价
 int item_type;//商品类型
 
 //特殊属性
 char title[20];//书名
 char author[20];//作者
 int num_pages;//⻚数
 
 char design[30];//设计
 int colors;//颜⾊
 int sizes;//尺⼨
};

上述的结构其实设计的很简单，⽤起来也⽅便，但是结构的设计中包含了所有礼品的各种属性，这样使得结构体的⼤⼩就会偏⼤，⽐较浪费内存。因为对于礼品兑换单中的商品来说，只有部分属性信息是常⽤的。⽐如：商品是图书，就不需要design、colors、sizes。
所以我们就可以把公共属性单独写出来，剩余属于各种商品本⾝的属性使⽤联合体起来，这样就可以介绍所需的内存空间，⼀定程度上节省了内存。

联合体应用：

struct gift_list
{
 int stock_number;//库存量
 double price; //定价
 int item_type;//商品类型
 
 union{
 struct
 {
 char title[20];//书名
 char author[20];//作者
 int num_pages;//⻚数
 }book;
 struct
 {
 char design[30];//设计
 }mug;
 struct
 {
 char design[30];//设计
 int colors;//颜⾊
 int sizes;//尺⼨
 }shirt;
 }item;
};

练习：写⼀个程序，判断当前机器是⼤端？还是⼩端？

1. 第一种方法：

int check_sys()
{
	int n = 1;//01 00 00 00     00 00 00 01
	return *(char*)&n;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

VS运行：

2. 第二种联合体巧妙方法：

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

VS运行：

小端

图解：

大端存储：是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，而数据的高位位字节内容，保存在内存的低地址处。
小端存储：是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的高地址处。

如果01是低位字节存储到低地址c时，是小端存储，如果01低位字节存储到高地址处，没有存储到c的位置，那么c的位置存储着00，返回为0，是大端存储。

🌉枚举类型的声明

枚举类型(enum)是一种特殊的类型，它可以为一组相关的常量值赋予用户定义的名称。
—>简单来说：枚举顾名思义就是⼀⼀列举。
枚举类型的声明语法：

enum 标识符 
{
   枚举常量1, 
   枚举常量2,
   ...
} 变量;

1. enum 关键字声明这是一个枚举类型。

2. 标识符是枚举类型的名称。

3. 在大括号{}内列出枚举类型的多个枚举常量，用逗号分隔。

4. 变量是枚举类型的变量，可以直接使用枚举类型名或枚举常量初始化。

例如：

enum Color //Color是枚举类型名
{
	RED,     // 枚举常量  
	GREEN,
	BLUE
} color;///color是Color类型的变量

int main()
{
	printf("%d\n", RED);
	printf("%d\n", GREEN);
	printf("%d\n", BLUE);
	return 0;
}

输出：

• 枚举常量默认从0开始依次累加1。也可以手动为枚举常量赋值：

例如：

enum Color 
{
   RED = 1,
   GREEN = 2,
   BLUE = 4
}

运行结果：

• 当然第一个元素未被赋值，给其它的常量赋值，该常量前面的值是默认值（0，1，2）后面递增1。

例如：

enum Color
{
	RED,
	white,
	GREEN = 8,
	BLUE ,
	BLACK,
};

int main()
{
	printf("%d\n", RED);
	printf("%d\n", white);
	printf("%d\n", GREEN);
	printf("%d\n", BLUE);
	printf("%d\n", BLACK);

	return 0;
}

输出：

🌠枚举类型的优点

为什么使⽤枚举？
我们可以使⽤ #define 定义常量，为什么⾮要使⽤枚举？

枚举的优点：

1. 增加代码的可读性和可维护性
   如：之前的扫雷中可以这样定义用PLAY代替1，EXIT代替0,更具有个性化：

#include <stdio.h> 
#include <string.h>

// 定义游戏选择枚举类型
enum Game_Selection
{
    EXIT, // 退出游戏
    PLAY  // 开始游戏
};

// 打印菜单
void menu()
{
    printf("********** Menu **********\n");
    printf("PLAY - Start the game\n");
    printf("EXIT - Exit the game\n");
    printf("********** Menu **********\n");
}

int main()
{
    enum Game_Selection input; // 声明游戏选择变量
    char choice[10]; // 声明选择输入缓冲区

    do
    {
        menu(); // 调用菜单函数

        printf("Please enter your choice: ");
        scanf("%s", choice); // 读取选择输入
        getchar(); // 清除输入缓冲区

        if (strcmp(choice, "PLAY") == 0)
        {
            input = PLAY; // 设置选择为开始游戏
        }
        else if (strcmp(choice, "EXIT") == 0)
        {
            input = EXIT; // 设置选择为退出游戏
        }
        else
        {
            printf("输入错误，请重新输入\n");
            continue; // 输入错误，继续循环
        }

        switch (input)
        {
        case PLAY:
            printf("扫雷游戏启动！\n");
            break;
        case EXIT:
            printf("不玩了，启动不了！\n");
            break;
        }

    } while (input != EXIT);

    return 0;
}

代码运行：

2. 和#define定义的标识符⽐较枚举有类型检查，更加严谨。

3. 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号

4. 使⽤⽅便，⼀次可以定义多个常量

5. 枚举常量是遵循作⽤域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使⽤

🌉 枚举类型的使⽤

那是否可以拿整数给枚举变量赋值呢？在C语⾔中是可以的，但是在C++是不⾏的，C++的类型检查⽐较严格。

• 在C语言中，枚举类型实际上就是整数类型，编译器会把枚举常量替换成对应的整数值。所以可以用整数直接给枚举变量赋值。

• 而在C++中，枚举类型是完全独立的类型。编译器会检查类型是否匹配，不允许用整数直接给枚举变量赋值。

例如：

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//C语言
enum Color//颜⾊
{
	RED = 1,
	GREEN = 2,
	BLUE = 4
};
int main()
{
	enum Color c;
	c = 1; // 可以直接赋值整数
	return 0;
}

输出：

// C++语言
enum Color//颜⾊
{
	RED = 1,
	GREEN = 2,
	BLUE = 4
};

Color c;
c = 1; // 错误，类型不匹配

输出：

总结：
C语言中枚举类型实际上就是整数，允许用整数直接赋值
C++中枚举类型是独立类型，不允许用整数直接赋值，需要强制类型转换

🚩总结

这次阿森和你一起学习联合体类型的声明，特点，然后进行相同成员的结构体和联合体对⽐，⼤⼩的计算，联合体应用，枚举类型的声明，优点和扫雷改造使⽤方法，阿森将下一节和你一起学习动态内存管理🚀 。

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