526互联

非受限联合体

发布时间 2023-12-11 18:34:24作者: Beasts777

文章参考：

爱编程的大丙 (subingwen.cn)

1. 联合体

联合体又名共用体，使用方式和struct相似，其特点在于：

  • 联合体中所有的成员变量，引用的都是内存中的相同位置。
  • 如果联合的不同成员有不同的长度，取最长的那个变量作为联合的长度。
  • 如果将结构体作为联合的成员变量，那么联合的大小取决于变量中最大的结构体的大小。

EG：

struct VARIABLE_UNION{
    enum { INT, FLOAT, STRING } type;
    union {
        int int_value;
        float float_value;
        char *string_value;
    } value;
};

局限性：

  • 不允许联合体拥有非POD类型的成员。
  • 不允许联合体拥有静态函数。
  • 不允许联合体拥有引用类型的成员。

非受限联合体：

在C++11中，取消了上述关于联合体的局限性，重新规定任何非引用类型都可以成为联合体的数据成员，这就是非受限联合体。

2. 非受限联合体

2.1 静态类型的成员

非受限联合体中，静态成员有两种：

  • 静态成员变量。
  • 静态成员函数。

EG:

  • 代码：

    #include <iostream>
using namespace std;

union Test {
    int age;
    long id;
    // int& temp = age;     // error
    // static char c = 'a';     // error
    static char c;
    static int print() {
        // cout << "age = " << age << endl;     // error
        cout << "c=" << c << endl;
        return 1;
    };
};
char Test::c = 'a';

int main(void){
    Test t;
    t.age = 1;
    t.id = 2l;
    t.c = 'x';
    cout << "age=" << t.age << endl;
    cout << "id=" << t.id << endl;
    cout << "c=" << t.c << endl;
    cout << "sizeof(union)=" << sizeof(Test) << endl;
    return 0;
}

  • 输出：

    age=2
id=2
c=x
sizeof(union)=8

  • 分析：

    • 第7行：错误。即使是非受限联合体，依旧禁止使用用引用作为成员。
    • 第8行：错误。non-const static data numbet must be initilized out of line（非常量静态数据成员的初始化必须在行外），因此在16行进行了初始化。
    • 第11行：错误。静态成员函数只能访问静态成员。
    • 第23行：因为age和id共用一块内存，而id的赋值在age之后，因此age原本的值被id的值覆盖了。
    • 第24行：id的值覆盖了age的值。但id的值并没有被c覆盖，这说明静态成员变量和非静态成员变量使用的不是一块内存。
    • 第28行：说明联合体的大小依旧由非静态成员决定。

2.2 非POD类型成员

在C++11中，如果某受限联合体有一个非POD的成员，而且该成员拥有非平凡的构造函数/拷贝构造哈桑农户/拷贝复制操作符/移动构造函数/移动赋值操作符/析构函数，那么该受限联合体的默认析构函数将会被删除。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
    Base();			// 非平凡的构造函数，因此Base是非POD类型
};

union Test {
	int a;
    Base b;
}

int main(void){    
    // Test t;		// error
    return 0;
}

如上所示，由于联合体Test的默认构造函数已经被删除，因此第15行报错。在这种情况下，我们要为非受限联合体定义构造函数，这时我们需要用到定位放置new操作。

2.2.1 placement new

一般情况下，我们使用new申请空间，这时会从系统的堆(heap)中分配空间，申请所得的空间的位置是根据当时的内存实际使用决定的。但在有些时候，我们要在已经分配的特定内存创建对象，这种操作就是placement new，也就是定位放置 new。

语法：

ClassName* ptr = new (address of memory)ClassName(parameter list);

Eg：

  • 代码：

    #include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
    int num;
    Base();			// 非平凡的构造函数，因此Base是非POD类型
};

int main(void){    
    int n = 100;
    Base* b = new (&n)Base();
    cout << b->num << endl;
    char c = 'a';
    // Base* b1 = new (&c)Base;		// error
    return 0;
}

  • 输出：

    100

  • 分析：

    • 第12行：将变量n的地址分配给指针b，此时指针b指向的内存和变量n对应的内存是同一块栈内存。
    • 第13行：输出100是因为b指向的地址就是n的地址，而Base类的成员变量number的歧视地址和Base对象的起始地址是相同的，所以打印出的number的值和n的值相同。
    • 第15行：错误。这是因为Base需要的内存为4个字节，而char的内存只有1个字节，内存大小不够，无法初始化。

特点：

  • 放置new操作，可以在栈/堆上生成对象。
  • 放置new操作并不是新申请了一份空间，而是利用已经申请好的空间，因此该空间大小必须>=类所需空间大小。
  • 使用放置new操作创建对象会自动调用对应的构造函数，但是由于对象的空间不会自动释放，因此如果需要释放堆内存则必须显式调用类的析构函数。
  • 使用放置new操作，我们可以反复利用同一块堆内存，而不用多次创建销毁堆内存，这样可以提高程序的执行效率。（例如网络通信中数据的接收和发送）。

2.2.2 自定义非受限联合体构造函数

通过使用placement new操作，我们可以自定义非受限联合体构造函数。

EG：

  • 代码：

    #include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Base {
public:
    string msg; 
    Base(){
        cout << "non-parameter constructor" << endl;
    }        
    Base(string a): msg(a){
        cout << "parameterized constructor " << endl;
    }
    void print(){
        cout << msg << endl; 
    }
};

union Test {
    string msg;
    int a;
    Base b;
    Test(){ new (&msg)string; }
    ~Test(){}
};

int main(void){
    Test t;
    t.msg = "aaa";
    t.b.msg = "bbb";
    cout << t.msg << endl;
    cout << t.b.msg << endl;
    t.b.print();
    return 0;
}

  • 输出：

    bbb
bbb
bbb

  • 分析：

    • 第23行：为非受限联合体指定构造函数，通过placement new的方式将构造出的对象地址指定到了联合体成员msg上，这样联合体内内部其余非静态成员也可以访问这一块内存了。
    • 第30行：此时联合体成员变量b的位置和msg的位置一致，而变量b是Base类型，Base的成员变量msg的首地址和Base的首地址一致，总结下来就就是&t.b.msg==&t.msg，因此对t.b.msg的修改会覆盖第29行的操作。

2.2.3 匿名的非受限联合体

一般情况下我们使用的联合体都是有名字的，有时我们也可以使用匿名的非受限联合体，一个比较实用的场景就是配合类的定义使用。

EG：

  • 场景：现在对某个村子进行人口普查，人口登记方式如下：

    • 学生只登记所在学校的编号。
    • 本村除了学生以外的人，登记身份证号。
    • 外来人员，登记：户口所在地、联系方式。

  • 代码：

    #include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 外来人口信息
struct Foreigner
{
    Foreigner(string s, string ph) : addr(s), phone(ph) {}
    string addr;
    string phone;
};
// 人口类型
enum class Category : char 
{
    Student, 
    Local, 
    Foreign
};

// 登记人口信息
class Person
{
private:
    Category type;
    union
    {
        int number;
        string idNum;
        Foreigner foreign;
    };
public:
    Person(int num) : number(num), type(Category::Student) {}
    Person(string id) : idNum(id), type(Category::Local) {}
    Person(string addr, string phone) : foreign(addr, phone), type(Category::Foreign) {}
    ~Person() {}

    void print()
    {
        cout << "Person category: " << (int)type << endl;
        switch (type)
        {
        case Category::Student:
            cout << "Student school number: " << number << endl;
            break;
        case Category::Local:
            cout << "Local people ID number: " << idNum << endl;
            break;
        case Category::Foreign:
            cout << "Foreigner address: " << foreign.addr
                << ", phone: " << foreign.phone << endl;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
};

int main()
{
    cout << sizeof(string) << endl;
    cout << sizeof(Category) << endl;
    cout << sizeof(Foreigner) << endl;
    cout << sizeof(Person) << endl;
    return 0;
}

  • 输出：

    32
1
64
72

  • 分析：

    • 第25行：定义匿名非受限联合体，Person类可以直接访问非受限联合体内部的数据成员。
    • 非受限联合体中，number、idNum、foreign三者共用一块内存。从而节省了空间。
    • 为什么Person的大小为72，而不是64+1=65？这涉及到C/C++中的字节对齐问题，此处不展开讲述。