联合体声明

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联合体是特殊的类类型,它在一个时刻只能保有其一个非静态数据成员

联合体声明的类说明符与类或结构体的声明相似:

union attr 类头名 { 成员说明 }
attr(C++11) - 任何数量属性的可选序列
类头名 - 被定义的联合体的名字。可选地前附 嵌套名说明符(名字与作用域解析运算符的序列,以作用域解析运算符结尾)。可忽略名字,该情况下联合体为无名
成员说明 - 访问说明符、成员对象和成员函数的声明与定义的列表。

联合体可拥有成员函数(包含构造函数和析构函数),但不能有虚函数。

联合体不能有基类且不能用作基类。

联合体不能拥有引用类型的非静态数据成员。

联合体不能含有带非平凡特殊成员函数(复制构造函数复制赋值运算符或析构函数)的非静态数据成员。

(C++11 前)

若联合体含有带非平凡特殊成员函数(复制/移动构造函数,复制/移动赋值,或析构函数)的非静态数据成员,则联合体中的该函数默认被弃置,且需要程序员显式定义它。

若联合体含有带非平凡默认构造函数的非静态数据成员,则该联合体的默认构造函数默认被弃置,除非联合体的变体成员拥有一个默认成员初始化器。

至多一个变体成员可以拥有默认成员初始化器

(C++11 起)

正如结构体的声明中一般,联合体的默认成员访问是 public

目录

[编辑] 解释

联合体的大小仅足以保有其最大的数据成员。其他数据成员分配于该最大成员的一部分相同的字节。分配的细节是实现定义的,且从并非最近写入的联合体成员进行读取是未定义行为。许多编译器作为非标准语言扩展,实现读取联合体的不活跃成员的能力。

#include <iostream>
#include <cstdint>
union S
{
    std::int32_t n;     // 占用 4 字节
    std::uint16_t s[2]; // 占用 4 字节
    std::uint8_t c;     // 占用 1 字节
};                      // 整个联合体占用 4 字节
 
int main()
{
    S s = {0x12345678}; // 初始化首个成员,s.n 现在是活跃成员
    // 于此点,从 s.s 或 s.c 读取是未定义行为
    std::cout << std::hex << "s.n = " << s.n << '\n';
    s.s[0] = 0x0011; // s.s 现在是活跃成员
    // 在此点,从 n 或 c 读取是 UB 但大多数编译器都对其有定义
    std::cout << "s.c is now " << +s.c << '\n' // 11 或 00,取决于平台
              << "s.n is now " << s.n << '\n'; // 12340011 或 00115678
}

可能的输出:

s.n = 12345678
s.c is now 0
s.n is now 115678

各个成员都如同它是类的仅有成员一样进行分配。

若联合体的成员是拥有用户定义的构造函数和析构函数的类,则为了切换其活跃成员,通常需要显式析构函数和布置 new:

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
 
union S
{
    std::string str;
    std::vector<int> vec;
    ~S() {} // 需要知道哪个成员活跃,仅在联合体式的类中可行
};          // 整个联合体占有 max(sizeof(string), sizeof(vector<int>)) 的内存
 
int main()
{
    S s = {"Hello, world"};
    // 在此点,从 s.vec 读取是未定义行为
    std::cout << "s.str = " << s.str << '\n';
    s.str.~basic_string();
    new (&s.vec) std::vector<int>;
    // 现在,s.vec 是联合体的活跃成员
    s.vec.push_back(10);
    std::cout << s.vec.size() << '\n';
    s.vec.~vector();
}

输出:

s.str = Hello, world
1
(C++11 起)

若两个联合体成员均为标准布局类型,则在任何编译器上检验其公共子序列都是良好定义的。

[编辑] 成员生存期

联合体成员的生存期始于该成员被设为活跃(active)时。若另一成员先前为活跃,则其生存期终止。

当联合体的活跃成员通过形式为 E1 = E2 的复制表达式(使用内建赋值运算符或平凡的赋值运算符)所切换时,对于 E1 中的各个成员访问和数组下标子表达式中出现的,其类型并非拥有非平凡或弃置的默认构造函数的类的每个联合体成员 X,若 X 的修改在类型别名使用规则下会具有未定义行为,则在所指名的存储中隐式创建一个 X 类型的对象;不进行初始化,且其生存期的开始按顺序晚于其左右的操作数的值计算,而早于赋值。

union A { int x; int y[4]; };
struct B { A a; };
union C { B b; int k; };
int f() {
  C c;               // 不开始任何联合体成员的生存期
  c.b.a.y[3] = 4;    // OK:"c.b.a.y[3]" 指名联合体成员 c.b 与 c.b.a.y;
                     // 这创建对象以保有联合体成员 c.b 和 c.b.a.y
  return c.b.a.y[3]; // OK:c.b.a.y 指代新创建的对象
}
 
struct X { const int a; int b; };
union Y { X x; int k; };
void g() {
  Y y = { { 1, 2 } }; // OK,y.x 为活跃联合体成员 (9.2)
  int n = y.x.a;
  y.k = 4;   // OK:结束 y.x 的生存期,y.k 是联合体的活跃成员
  y.x.b = n; // 未定义行为:y.x.b 在其生存期外被修改,
             // "y.x.b" 指名 y.x,但 X 的默认构造函数被弃置,
             // 故联合体成员 y.x 的生存期不会隐式开始
}

[编辑] 匿名联合体

匿名联合体是不同时定义任何变量(包括联合体类型的对象、引用或指向联合体的指针)的无名的联合体定义。

union { 成员说明 } ;

匿名联合体有更多限制:它们不能有成员函数,不能有静态数据成员,且所有数据成员必须为公开。所允许的声明仅有非静态数据成员static_assert 声明 (C++14 起)

匿名联合体的成员被注入到其外围作用域中(而且必须不与其中声明的其他名字冲突)。

int main()
{
    union
    {
        int a;
        const char* p;
    };
    a = 1;
    p = "Jennifer";
}

命名空间作用域的匿名联合体必须声明为 static,除非它们出现于无名命名空间。

[编辑] 联合体式的类

联合体式的类(union-like class)是至少拥有一个匿名联合体为其成员的(非联合)类,或者是联合体。联合体式的类拥有一组变体成员(variant member)

  • 其成员匿名联合体的非静态数据成员;
  • 另外,若联合体式的类是联合体,则为其并非匿名联合体的非静态数据成员。

联合体式的类可用于实现带标签联合体(tagged union)

#include <iostream>
 
// S 拥有一个非静态数据成员(tag),三个枚举项成员(CHAR、INT、DOUBLE),
// 和三个变体成员(c、i、d)
struct S
{
    enum{CHAR, INT, DOUBLE} tag;
    union
    {
        char c;
        int i;
        double d;
    };
};
 
void print_s(const S& s)
{
    switch(s.tag)
    {
        case S::CHAR: std::cout << s.c << '\n'; break;
        case S::INT: std::cout << s.i << '\n'; break;
        case S::DOUBLE: std::cout << s.d << '\n'; break;
    }
}
 
int main()
{
    S s = {S::CHAR, 'a'};
    print_s(s);
    s.tag = S::INT;
    s.i = 123;
    print_s(s);
}

输出:

a
123

C++ 标准库包含 std::variant,它可取代联合体和联合体式的类的大多数用途。上例可重写为

#include <variant>
#include <iostream>
 
int main()
{
    std::variant<char, int, double> s = 'a';
    std::visit([](auto x){ std::cout << x << '\n';}, s);
    s = 123;
    std::visit([](auto x){ std::cout << x << '\n';}, s);
}

输出:

a
123
(C++17 起)

[编辑] 缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1940 C++14 匿名联合体仅允许非静态数据成员 亦允许 static_assert

[编辑] 参阅

联合体声明C 文档