C語言結構體 vs 聯合體：記憶體佈局與使用場景深度對比

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核心差異一覽

特性	結構體	聯合體
記憶體分配	所有成員同時存在，總大小 = 成員大小之和（含對齊填充）	所有成員共用同一塊記憶體，大小 = 最大成員大小（含對齊）
成員存取	可同時讀寫多個成員，互不干擾	同一時刻只能存取一個成員，寫入新成員會覆蓋舊值
初始化	可指定多個成員	僅能初始化第一個成員
典型用途	邏輯相關的資料聚合	型別轉換、節省記憶體、互斥資料欄位

記憶體佈局解

結構體：線性排列


struct Demo {
    char c;      // offset 0, size 1
    // padding 3 bytes (alignment)
    int i;       // offset 4, size 4
    double d;    // offset 8, size 8
};               // total 16 bytes (alignment to 8)

聯合體：完全重疊


union Demo {
    char c;      // offset 0
    int i;       // offset 0
    double d;    // offset 0
};               // total 8 bytes (max member size, aligned)

經典案例：聯合體實現型別重疊


#include 

int main(void) {
    union {
        int i;
        struct {
            char first;
            char second;
        } half;
    } number;

    number.i = 0x4241;          // 0x42='B', 0x41='A' (little-endian)
    printf("%c%c\n", number.half.first, number.half.second);  // 輸出: AB

    number.half.first = 'a';    // 0x61
    number.half.second = 'b';   // 0x62
    printf("%x\n", number.i);   // 輸出: 6261 (little-endian: 0x6261)

    return 0;
}

解析：

寫入 i 時，低位元組對應 first、次低位元組對應 second（小端序）
寫入 first/second 時，i 的低兩位元組同步改變
此技巧常用於：網路封包解析、檔案格式讀寫、型別雙關

進階用法：標籤聯合體 —— 安全的多態資料


typedef enum { TYPE_INT, TYPE_FLOAT, TYPE_STR } DataType;

typedef struct {
    DataType type;           // 標籤：指明當前有效成員
    union {
        int i;
        float f;
        char *s;
    } value;
} Variant;

void printVariant(Variant *v) {
    switch (v->type) {
        case TYPE_INT:    printf("int: %d\n", v->value.i); break;
        case TYPE_FLOAT:  printf("float: %f\n", v->value.f); break;
        case TYPE_STR:    printf("str: %s\n", v->value.s); break;
    }
}

這是 C 語言實現「代數資料型別」的標準模式，廣泛用於解析器、虛擬機、訊息協定。