联合体

联合体：一间房多种用途，一次只能用一种

什么是联合体？

联合体（union）和结构体（struct）长得很像，但本质完全不同：结构体的每个成员都有自己独立的内存空间，而联合体的所有成员都共享同一块内存。就像你的房间，你可以把它布置成卧室（放床、衣柜），也可以布置成书房（放书桌、书架），但同一时间只能有一种用途，不可能既是卧室又是书房。

联合体的大小等于它最大成员的大小，因为所有成员共用那一块空间。比如一个联合体包含 int（4字节）、float（4字节）、char（1字节），那么它的大小就是 4 字节 —— 存放 int 或 float 时正好，放 char 时也只占那 4 字节中的第一个字节。

如何定义和使用联合体？

用关键字 union，定义方式跟结构体一模一样。

#include <iostream>
using namespace std;

union Data {
    int i;      // 整型，占4字节
    float f;    // 浮点型，占4字节
    char c;     // 字符型，占1字节
    // 联合体大小 = max(4,4,1) = 4 字节
};

int main() {
    Data d;                 // 定义一个联合体变量
    d.i = 42;               // 当前有效的是 int，内存中存着 42
    cout << "i = " << d.i << endl;  // 输出 42

    d.f = 3.14f;            // 现在写入了 float 值，原来的 int 数据被覆盖了
    cout << "f = " << d.f << endl;  // 输出 3.14

    // 下面这行非常危险：读取已经被覆盖的成员
    cout << "i 现在是：" << d.i << endl;  // 输出乱码（把浮点数的二进制当整数读）
    return 0;
}

关键点：修改联合体的任何一个成员，都会改变共享内存中的内容，其他成员的值就“失效”了。就像你刚把卧室改成书房，就别再去找床了。

什么时候用联合体？

节省内存：当你在不同时间需要使用不同类型的值，但不会同时使用时。比如一个游戏中的人物状态——有时是“健康值（整数）”，有时是“名字（字符串）”，但同一时刻只需要一种。联合体比结构体省内存。
类型转换的快捷方式：联合体可以把同一段内存按照不同的类型来解读。例如，想查看一个 float 的二进制表示（即四个字节的具体值），可以用联合体同时包含 float 和 unsigned char[4]，写进 float 后读取数组就能得到每个字节。
```
union FloatBytes {
    float f;                // 浮点数
    unsigned char bytes[4]; // 4个字节
};

int main() {
    FloatBytes fb;
    fb.f = 3.14f;
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        cout << (int)fb.bytes[i] << " ";  // 输出浮点数的每个字节（十进制）
    }
    return 0;
}
```
这个技巧在解析网络数据包或文件格式时很有用。
在C语言中用于实现“可选的成员”：配合结构体使用，比如一个结构体包含一个枚举“类型”和一个联合体，根据类型选择联合体中有效的成员。这在C++中用 variant 更安全，但竞赛中联合体仍常见。

新手容易犯的错误

读取了已经被覆盖的成员：如上例，先给 d.i 赋值，再给 d.f 赋值，然后去读 d.i，得到的是垃圾值。记住：联合体同时只有一种成员是有效的，你需要用某种方式记录当前存的是什么类型（比如加一个额外的枚举变量）。
对联合体整体赋值时误解：Data d = {42}; 这样初始化是合法的，但只对第一个成员（i）赋值。如果想初始化其他成员，需要用指定成员初始化（C++11起）：Data d = {.f=3.14}; 但竞赛中不太常用，最好只靠写成员来赋值。
忘记联合体的大小是最大成员：当你用 sizeof 计算时，得到的总是最大成员的大小，而不是当前有效成员的大小。如果你需要知道当前有效成员的字节数，必须自己记录。
结构体中的联合体成员对齐问题：如果联合体在结构体里，结构体的大小可能受对齐影响，此时联合体的大小可能会被填充到对齐的整数倍。这些细节在 C++ 中需留意。

完整示例：用联合体管理多种数据类型

假设你要记录一位同学的成绩，可能是百分制整数（如 95），也可能是等级（'A'、'B'、'C'），还可能是带小数点的绩点（如 3.8）。这三种类型不会同时使用，用联合体能节省内存。

#include <iostream>
#include <cstring> // 为了更完整的例子，此处实际上不需要
using namespace std;

struct Score {
    int type;       // 0=整数，1=等级，2=绩点
    union {
        int num;        // 百分制成绩，如 95
        char grade;     // 等级，如 'A'
        double gpa;     // 绩点，如 3.8
    } value;        // 联合体成员
};

int main() {
    Score s1, s2, s3;

    // 第一个学生：百分制 95分
    s1.type = 0;
    s1.value.num = 95;
    cout << "学生1: " << s1.value.num << "分" << endl;

    // 第二个学生：等级 A
    s2.type = 1;
    s2.value.grade = 'A';
    cout << "学生2: " << s2.value.grade << "等级" << endl;

    // 第三个学生：绩点 3.8
    s3.type = 2;
    s3.value.gpa = 3.8;
    cout << "学生3: " << s3.value.gpa << "绩点" << endl;

    // 错误演示：如果忘记记录 type，直接读取错误成员
    // s2.value.gpa = 2.5;   // 此时 type 仍然是 1，但值变成了绩点
    // cout << s2.value.grade; // 错误！等级被覆盖了

    return 0;
}

运行结果：

学生1: 95分
学生2: A等级
学生3: 3.8绩点

这个例子清晰地展示了联合体的典型用法：用一个额外的 type 字段标记当前联合体中存储的是什么类型。每次读写时先检查 type，确保你正在操作的是当前有效的成员。