C++中的Union: 内存与类型转换技巧

在C++中，union是一种特殊的数据类型，允许在相同的内存位置存储不同类型的数据。union提供了一种高效地利用内存的方式，但同时也要求开发者更加小心地处理数据以避免类型错误。

1. 基本定义

union定义了一个可以存储多种类型但任意时刻只能存储其中一种类型的数据结构。union的大小至少是其成员中最大类型的大小。

示例代码

union Data {
    int integer;
    float floatingPoint;
    char character;
};

// 示例使用
Data data;
data.integer = 5; // 当前存储的是整数

在这个例子中，Data是一个union，可以存储一个整数、一个浮点数或一个字符。任何时刻只有一个成员是有效的。

2. 使用场景

union通常用于内存映射、协议字段表示或在需要将同一段内存解释为不同类型数据的场合。

示例代码

union IPAddress {
    uint32_t integer;
    unsigned char bytes[4];
};

// 示例使用
IPAddress address;
address.integer = 0xC0A80101; // 设置IP地址为192.168.1.1

这个例子展示了如何使用union来处理IPv4地址，既可以作为一个整数操作，也可以作为四个字节操作。

3. 匿名union

C++允许定义匿名union，这种union的成员可以直接在union的作用域内被访问。

示例代码

struct Container {
    enum {INT, FLOAT, CHAR} type;
    union { // 匿名union
        int integer;
        float floatingPoint;
        char character;
    };
};

// 示例使用
Container container;
container.type = Container::INT;
container.integer = 42; // 直接访问union成员

在这个例子中，Container结构体包含了一个匿名union，允许直接通过container对象访问union的成员。

4. 带有构造函数和析构函数的union

从C++11开始，union可以包含构造函数和析构函数，以及非平凡成员。这使得union可以安全地存储复杂类型。

示例代码

union ComplexUnion {
    std::string str; // 非平凡类型
    int integer;

    ComplexUnion() : str("Default") {} // 构造函数
    ~ComplexUnion() { str.~string(); } // 析构函数
};

这个例子中的union包含一个std::string类型的成员，因此需要定义构造函数和析构函数来正确管理内存。

5. union与类型安全

使用union时需要小心确保当前访问的成员是正确的。错误地解释union中的数据会导致未定义行为。

示例代码

union Data {
    int integer;
    float floatingPoint;
};

// 示例使用
Data data;
data.integer = 5;
float myFloat = data.floatingPoint; // 未定义行为：实际存储的是integer

在这个例子中，尝试读取未被存储的成员floatingPoint是危险的，因为当前union实际存储的是integer。

总之，union是C++中一种强大但需要谨慎使用的特性。正确使用时，它可以帮助节省内存，实现底层数据处理。然而，错误的使用可能会导致程序错误和未定义行为。