【C语言】自定义类型：联合体与枚举

在C语言中，自定义类型为数据组织提供了灵活的方式。除了常见的结构体，联合体（共用体）和枚举也是非常实用的类型。它们在内存管理和代码可读性方面有着独特的优势，本文将详细解析这两种类型的特性、用法及应用场景。

一、联合体（Union）：内存共用的灵活类型

1.1 什么是联合体？

联合体是一种特殊的自定义类型，它由多个不同类型的成员组成，但所有成员共用同一块内存空间。这意味着联合体的大小仅需满足最大成员的存储需求，相比结构体能显著节省内存。

声明方式与结构体类似，关键字为union：

// 联合体类型声明
union Un {char c;  // 字符型成员int i;   // 整型成员
};// 联合体变量定义
union Un un;

1.2 联合体的核心特点

1. 内存共用：所有成员共享同一块内存，起始地址相同。

   #include <stdio.h>
   union Un {char c;int i;
   };
   int main() {union Un un;printf("&un = %p\n", &un);    // 输出：001AF85Cprintf("&un.i = %p\n", &un.i);// 输出：001AF85Cprintf("&un.c = %p\n", &un.c);// 输出：001AF85Creturn 0;
   }
   

   上述代码中，联合体变量un及其成员i、c的地址完全相同，证明它们共用内存。

2. 成员值相互影响：修改一个成员的值会影响其他成员。

   #include <stdio.h>
   union Un {char c;int i;
   };
   int main() {union Un un;un.i = 0x11223344;  // 赋值整型成员un.c = 0x55;        // 修改字符型成员printf("%x\n", un.i);  // 输出：11223355return 0;
   }
   

   原理：int类型占4字节，char占1字节。un.c修改的是un.i的第一个字节（低地址位），导致un.i的原值0x11223344变为0x11223355。

1.3 联合体与结构体的对比

类型	内存布局特点	大小计算方式
结构体（struct）	成员占用独立内存，按对齐规则排列	所有成员大小之和（含填充字节）
联合体（union）	成员共用一块内存	至少为最大成员大小（需满足对齐）

示例对比：

// 结构体：成员独立占用内存
struct S {char c;  // 1字节int i;   // 4字节（因对齐，c后填充3字节）
};
// 大小：1 + 3（填充） + 4 = 8字节// 联合体：成员共用内存
union Un {char c;  // 1字节int i;   // 4字节
};
// 大小：4字节（取最大成员大小）

1.4 联合体大小的计算规则

1. 基础规则：联合体大小至少为最大成员的大小。
2. 对齐规则：若最大成员大小不是“最大对齐数”的整数倍，需向上对齐到整数倍。
   （对齐数：成员自身大小与默认对齐数的较小值，默认对齐数通常为4或8）

示例计算：

#include <stdio.h>// 案例1：char[5]（大小5）与int（大小4）
union Un1 {char c[5];  // 对齐数1，大小5int i;      // 对齐数4，大小4
};
// 最大成员大小5，最大对齐数4。5不是4的倍数，向上对齐到8（4×2）。
// sizeof(Un1) = 8// 案例2：short[7]（大小14）与int（大小4）
union Un2 {short c[7];  // 对齐数2，大小14int i;       // 对齐数4，大小4
};
// 最大成员大小14，最大对齐数4。14不是4的倍数，向上对齐到16（4×4）。
// sizeof(Un2) = 16int main() {printf("%d\n", sizeof(union Un1));  // 输出：8printf("%d\n", sizeof(union Un2));  // 输出：16return 0;
}

1.5 联合体的典型应用场景

场景1：节省内存（互斥属性存储）

当数据包含“公共属性”和“互斥的特殊属性”时，用联合体存储特殊属性可减少内存浪费。
例如“礼品兑换单”设计：

// 优化前：结构体包含所有属性，浪费内存
struct gift_list {// 公共属性int stock_number;  // 库存量double price;      // 价格int item_type;     // 商品类型（1-图书，2-杯子，3-衬衫）// 特殊属性（互斥，仅一种生效）char title[20];    // 书名（仅图书）char author[20];   // 作者（仅图书）int num_pages;     // 页数（仅图书）char design[30];   // 设计（仅杯子/衬衫）int colors;        // 颜色（仅衬衫）int sizes;         // 尺寸（仅衬衫）
};// 优化后：用联合体存储特殊属性
struct gift_list {int stock_number;double price;int item_type;union {  // 特殊属性共用内存struct { char title[20]; char author[20]; int num_pages; } book;struct { char design[30]; } mug;struct { char design[30]; int colors; int sizes; } shirt;} item;
};

优化后，特殊属性仅占用最大成员的内存（如shirt结构体大小），避免了无效属性的内存浪费。

场景2：判断机器字节序

字节序是数据在内存中的存储顺序（大端/小端），联合体可简单判断：

// 返回1：小端（低地址存低位数据）；返回0：大端（低地址存高位数据）
int check_sys() {union {int i;    // 4字节：0x00000001char c;   // 1字节：取i的低地址位} un;un.i = 1;return un.c;  // 小端：c=1；大端：c=0
}

二、枚举（Enum）：有限取值的清晰表示

2.1 什么是枚举？

枚举用于定义有限个可能取值的集合，例如星期、性别、颜色等。它将离散值命名，增强代码可读性。

声明方式：

// 枚举类型声明（默认值从0开始递增）
enum Day {Mon,   // 0Tues,  // 1Wed,   // 2Thur,  // 3Fri,   // 4Sat,   // 5Sun    // 6
};// 手动指定枚举值
enum Color {RED = 2,   // 2GREEN = 4, // 4BLUE = 8   // 8
};

enum Day、enum Color为枚举类型，Mon、RED等为枚举常量。

2.2 枚举的优势（对比#define）

优势	说明
增强可读性	用RED代替1，代码意图更清晰。
类型检查更严格	枚举变量只能接收枚举常量，#define定义的常量无类型限制。
便于调试	预处理阶段会删除#define符号，而枚举常量在调试时可见。
批量定义常量	一次声明多个相关常量，无需重复写#define。
遵循作用域规则	枚举声明在函数内时，仅在函数内有效，避免全局命名污染。

2.3 枚举的使用方法

1. 定义枚举变量：

   enum Color { RED, GREEN, BLUE };
   enum Color clr = GREEN;  // 用枚举常量赋值
   

2. 赋值规则：

   • C语言允许直接赋值整数（不推荐，破坏类型检查）：

     enum Color clr = 2;  // C中允许，C++中禁止
     

   • 建议始终使用枚举常量赋值，保证代码规范性。

三、总结

• 联合体：通过成员共用内存实现内存优化，适合存储互斥属性，大小计算需考虑最大成员和对齐规则。
• 枚举：清晰表示有限取值集合，相比#define更安全、易维护，适合定义状态码、选项等。

合理使用这两种类型，能让代码更高效、更易读，尤其在嵌入式开发（内存受限）和大型项目（代码规范性要求高）中尤为重要。