C語言聯合體（union）詳解：共享內存、大小計算與類型安全模式

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聯合體核心特性

共享內存：所有成員從同一地址開始，互斥共存（同一時刻僅一個成員有效值）。
大小 = 最大成員大小：編譯器分配足夠容納最大成員的空間。
修改一個影響所有：寫入任一成員會覆蓋共享內存，導致其他成員位模式改變。
除共享特性外，語法與結構體一致（成員訪問、嵌套、數組等）。

大小計算驗證

union MyUnion {
    short n1;      // 2 bytes
    int n2;        // 4 bytes
    double n3;     // 8 bytes
};
printf("%u, %u\n", sizeof(union MyUnion), sizeof(double));  // 輸出 8, 8

共享內存行為演示

union MyUnion {
    unsigned char n1;      // 1 byte
    unsigned short n2;     // 2 bytes
    unsigned int n3;       // 4 bytes
} U = {0};

U.n2 = USHRT_MAX;  // 0xFFFF
// n1 = 0xFF (低位), n2 = 0xFFFF, n3 = 0x0000FFFF

U.n3 = UINT_MAX;   // 0xFFFFFFFF
// n1 = 0xFF, n2 = 0xFFFF, n3 = 0xFFFFFFFF

U.n1 = 0;          // 低位清零
// n1 = 0x00, n2 = 0xFF00, n3 = 0xFFFFFF00

直觀展示了小端序架構下低位優先佈局，以及成員間相互覆蓋效應。

進階應用：類型安全的異構數據容器

結合 enum 標識當前有效類型，實現「標籤聯合體」（Tagged Union / Discriminated Union），是 C 語言模擬代數數據類型的標準模式。

enum UnionType { SHORT, INT, FLOAT };

struct Rec {
    unsigned ID;
    enum UnionType type;  // 標識當前有效成員
    union {
        short s;
        int i;
        float f;
    } u;
} R[4];

// 賦值
R[0] = (struct Rec){1, SHORT, {.s = 123}};
R[1] = (struct Rec){2, INT,   {.i = 12345}};
R[2] = (struct Rec){3, FLOAT, {.f = 3.14}};
R[3] = (struct Rec){4, INT,   {.i = 54321}};

// 類型安全訪問
for (size_t i = 0; i < 4; i++) {
    switch (R[i].type) {
        case SHORT: printf("%u: %hd\n", R[i].ID, R[i].u.s); break;
        case INT:   printf("%u: %d\n", R[i].ID, R[i].u.i); break;
        case FLOAT: printf("%u: %g\n", R[i].ID, R[i].u.f); break;
    }
}

聯合體 vs 結構體對比

特性	結構體 struct	聯合體 union
內存佈局	成員順序排列，互不重疊	成員完全重疊，共享起始地址
大小	≥ 所有成員大小之和（含對齊填充）	= 最大成員大小（含對齊）
同時有效成員	所有成員	僅一個
典型用途	聚合相關數據	節省空間、類型懲罰、硬件寄存器映射