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C语言高频面试题——结构体和联合体区别

java 2025/7/13 0:54:19

在 C 语言中，结构体（struct） 和 联合体（union） 是两种重要的复合数据类型，用于组织和管理多个相关的变量。尽管它们在语法上有些相似，但在内存布局、用途和行为上有显著的区别。以下是详细的对比分析：

1. 定义与本质

结构体（`struct`）

定义：
- 结构体是一种用户自定义的数据类型，允许将不同类型的数据组合在一起。
- 每个成员变量都有独立的存储空间。

声明语法：

struct StructName {type1 member1;type2 member2;...
};

核心特点：
- 每个成员都分配独立的内存空间。
- 总大小等于所有成员的大小之和（考虑对齐规则）。

联合体（`union`）

定义：
- 联合体也是一种用户自定义的数据类型，但所有成员共享同一块内存。
- 同一时间只能存储一个成员的值。

声明语法：

union UnionName {type1 member1;type2 member2;...
};

核心特点：
- 所有成员共享同一块内存区域。
- 总大小等于最大成员的大小（考虑对齐规则）。

2. 内存布局

结构体

内存分配：
- 每个成员占用独立的内存空间。
- 编译器会根据对齐规则插入填充字节以优化访问效率。

示例：

struct Example {char a;    // 1字节int b;     // 4字节
};

内存布局（假设 4 字节对齐）：

| char a (1字节) | 填充3字节 | int b (4字节) |

总大小：8 字节。

联合体

内存分配：
- 所有成员共享同一块内存区域。
- 总大小等于最大成员的大小。

示例：

union Example {char a;    // 1字节int b;     // 4字节
};

内存布局：
```
| 共享区域 (4字节) |
```
总大小：4 字节。

3. 使用场景

结构体

适用场景：
- 需要同时存储多个不同类型的值。
- 数据之间的关系是并列的（例如学生信息：姓名、年龄、成绩）。

示例：

struct Student {char name[20];int age;float score;
};

联合体

适用场景：
- 需要在同一块内存中存储不同的值（互斥使用）。
- 节省内存空间，尤其是当只需要存储其中一个成员时。
示例：
```
union Data {int i;float f;char c;
};
```

4. 行为差异

结构体

成员独立性：
- 每个成员可以同时存在，并且互不影响。
- 修改一个成员不会影响其他成员。

示例：

struct Example {int x;int y;
} s;
s.x = 10;
s.y = 20;
printf("%d %d", s.x, s.y); // 输出 10 20

联合体

成员共享性：
- 所有成员共享同一块内存，修改一个成员会影响其他成员。
- 当前有效值取决于最后赋值的成员。

示例：

union Example {int x;char y;
} u;
u.x = 65; // ASCII值 'A'
printf("%d\n", u.x); // 输出 65
printf("%c\n", u.y); // 输出 'A'（共享内存）

5. 大小计算

结构体

总大小：
- 等于所有成员的大小之和（考虑对齐规则）。

示例：

struct Example {char a;    // 1字节double b;  // 8字节
};

内存布局（假设 8 字节对齐）：

| char a (1字节) | 填充7字节 | double b (8字节) |

总大小：16 字节。

联合体

总大小：
- 等于最大成员的大小（考虑对齐规则）。

示例：

union Example {char a;    // 1字节double b;  // 8字节
};

内存布局：
```
| 共享区域 (8字节) |
```
总大小：8 字节。

6. 初始化与赋值

结构体

初始化：

可以逐个成员初始化。

示例：

struct Example {int x;char y;
} s = {10, 'A'};

联合体

初始化：

只能初始化第一个成员。

示例：

union Example {int x;char y;
} u = {65}; // 初始化 x

7. 总结

特性	结构体 (`struct`)	联合体 (`union`)
内存分配	每个成员独立分配	所有成员共享同一块内存
总大小	成员大小之和（考虑对齐规则）	最大成员的大小（考虑对齐规则）
成员独立性	成员互不影响	成员共享内存，修改一个会影响其他成员
适用场景	存储多个相关变量	节省内存，互斥使用