C語言共用體（union）完整教學：語法、記憶體管理與實務應用範例

1. 前言

在程式設計中，用於提升記憶體效率及處理複雜資料管理的資料結構非常重要。C 語言中的「共用體（union）」是一種為滿足這類需求而設計的資料型別。透過共用體，可以減少記憶體使用量，並有效管理不同資料型別的數值。

共用體的特點與目的

共用體是一種讓多個成員共用同一段記憶體空間的資料結構。與結構體（struct）會為每個成員分配獨立記憶體不同，共用體的所有成員會使用同一塊記憶體。因此，它能更有效率地處理不同的資料型別。特別是在記憶體容量有限的嵌入式系統中，以及網路通訊或資料封包解析等場景，共用體被廣泛應用。

共用體適用的情境

共用體的優勢在於能「以不同方式解讀同一記憶體區塊」。例如在網路程式設計中，資料封包內包含不同資訊，需要分別存取各個部分。透過共用體，可以從多種角度處理同一筆資料，同時兼顧記憶體效率與程式可讀性，並快速存取所需的資料。

此外，共用體也常以「標籤式共用體（tagged union）」的方式使用。在標籤式共用體中，只會在共用體內儲存不同資料型別中的其中一種，同時搭配型別標籤進行管理，既能減少記憶體消耗，又能追蹤當前的資料型別。這種方式特別適合需要在有限記憶體中處理多種資料型別的應用場景。

與結構體的差異

共用體與結構體在語法上很相似，因此容易混淆，但在記憶體使用方式上有明顯不同。結構體的每個成員都有自己的獨立記憶體空間，彼此不會互相影響；而共用體的所有成員共用同一塊記憶體，因此當其中一個成員被賦值時，其他成員的值也會受到影響。

2. 共用體的基本語法與宣告方式

共用體（union）是 C 語言中的一種資料結構，其特點是多個不同型別的成員共用同一記憶體區塊。本章將說明如何定義與使用共用體的基本語法與宣告方法。

共用體的宣告方式

共用體的宣告方式與結構體類似，使用 union 關鍵字。語法如下：

union 共用體名稱 {
    資料型別 成員1;
    資料型別 成員2;
    ...
};

範例：共用體的宣告

以下程式碼宣告了一個名為 Example 的共用體，包含整數型、浮點型與字元型成員：

union Example {
    int integer;
    float decimal;
    char character;
};

此共用體一次只能儲存一種型別的數值，且最後被賦值的成員才是有效值，因為所有成員共用同一段記憶體空間。

共用體的初始化

初始化共用體變數時，可與結構體相同使用大括號 { }。例如：

union Data {
    int id;
    float salary;
    char name[20];
};

int main() {
    union Data data = { .id = 123 };
    printf("ID: %d\n", data.id);
    return 0;
}

此範例將 id 成員設定為 123。初始化時會依第一個指定成員的型別進行，不會影響其他成員。

存取共用體成員

要存取共用體成員，使用點運算子（.），格式為「變數名.成員名」。

範例：成員存取

union Data {
    int id;
    float salary;
    char name[20];
};

int main() {
    union Data data;

    data.id = 101;
    printf("ID: %d\n", data.id);

    data.salary = 50000.50;
    printf("Salary: %.2f\n", data.salary);

    snprintf(data.name, sizeof(data.name), "Alice");
    printf("Name: %s\n", data.name);

    return 0;
}

此範例中，每次只能保證最後設定的成員值有效。

共用體與結構體宣告的差異

雖然語法相似，但結構體會為每個成員分配獨立記憶體，而共用體的大小則取決於成員中所需記憶體最大的那一個。

檢查記憶體大小

#include <stdio.h>

union Data {
    int id;
    float salary;
    char name[20];
};

int main() {
    printf("共用體大小: %zu 位元組\n", sizeof(union Data));
    return 0;
}

此範例中，name 成員大小為 20 位元組，因此共用體整體大小也是 20 位元組。

3. 共用體的特性與記憶體管理

C 語言的共用體（union）透過讓多個成員共用相同的記憶體區塊，達到節省記憶體的效果。本章將解說共用體的特性以及記憶體管理的原理。

共用同一記憶體區塊的原理

雖然共用體的宣告語法與結構體類似，但在記憶體分配方式上有明顯差異。結構體會為每個成員分配獨立的記憶體，而共用體所有成員共用同一記憶體區塊，因此同時只能儲存一種成員的資料，最後賦值的成員才有效。

記憶體配置示意

例如，以下 Example 共用體中的 int、float 與 char 成員會共用同一段記憶體：

union Example {
    int integer;
    float decimal;
    char character;
};

此共用體的大小取決於成員中記憶體需求最大的型別（此例中為 int 或 float）。

檢查共用體的記憶體大小

可用 sizeof 運算子檢查共用體的大小，例如：

#include <stdio.h>

union Data {
    int id;
    float salary;
    char name[20];
};

int main() {
    printf("共用體大小: %zu 位元組\n", sizeof(union Data));
    return 0;
}

因為 name 成員最大（20 位元組），所以共用體總大小為 20 位元組。

透過標籤式共用體進行型別管理

由於共用體共用記憶體，需要管理當前儲存的資料型別。常見做法是使用「標籤式共用體（tagged union）」，在結構體中同時儲存型別標籤與共用體，避免誤用型別。

標籤式共用體範例

#include <stdio.h>

enum Type { INTEGER, FLOAT, STRING };

struct TaggedUnion {
    enum Type type;
    union {
        int intValue;
        float floatValue;
        char strValue[20];
    } data;
};

int main() {
    struct TaggedUnion tu;

    tu.type = INTEGER;
    tu.data.intValue = 42;

    if (tu.type == INTEGER) {
        printf("整數值: %d\n", tu.data.intValue);
    }

    return 0;
}

透過 type 標籤，能明確判斷目前有效的資料型別，避免存取錯誤型別造成的問題。

記憶體管理注意事項

使用共用體時必須注意「記憶體重疊」的風險。例如，先賦值給整數成員，再以浮點數成員讀取，可能會得到不可預期的結果：

#include <stdio.h>

union Example {
    int intValue;
    float floatValue;
};

int main() {
    union Example example;

    example.intValue = 42;
    printf("以浮點數讀取: %f\n", example.floatValue); // 可能出現不正確數值

    return 0;
}

因此必須搭配型別管理機制（如標籤式共用體）來保證資料安全。

共用體的優勢

共用體在需要節省記憶體的情況下非常有用，尤其適合嵌入式系統、通訊協定與資料封包解析等領域。但必須在設計時考慮型別安全與記憶體重疊的影響。

4. 共用體的使用場景與實務範例

共用體（union）在需要節省記憶體的情況下特別實用。本章將介紹共用體實際應用的案例與延伸用法。有效運用共用體可以節省記憶體並提升資料管理效率。

標籤式共用體的使用

「標籤式共用體」是一種在共用體內包含多種資料型別時，用來管理目前有效資料型別的方法。透過額外的型別標籤變數，可以安全地存取對應的資料，避免不必要的錯誤。

標籤式共用體範例

以下範例將共用體與型別標籤結合，實現可儲存整數、浮點數或字串的資料結構：

#include <stdio.h>

enum DataType { INTEGER, FLOAT, STRING };

struct TaggedData {
    enum DataType type;
    union {
        int intValue;
        float floatValue;
        char strValue[20];
    } data;
};

int main() {
    struct TaggedData td;

    // 設定整數資料
    td.type = INTEGER;
    td.data.intValue = 42;

    // 根據標籤輸出對應資料
    if (td.type == INTEGER) {
        printf("整數資料: %d\n", td.data.intValue);
    }

    return 0;
}

此範例透過 type 標籤確認資料型別，確保共用體操作的安全與正確性。

網路程式設計中的資料封包解析

在網路程式設計與通訊協定實作中，常需要高效處理資料封包內容。使用共用體可以讓相同的記憶體以不同的資料結構存取，減少轉換與額外的記憶體使用。

資料封包解析範例

#include <stdio.h>

union Packet {
    struct {
        unsigned char header;
        unsigned char payload[3];
    } parts;
    unsigned int fullPacket;
};

int main() {
    union Packet packet;
    packet.fullPacket = 0xAABBCCDD;  // 整包資料

    printf("標頭: 0x%X\n", packet.parts.header);
    printf("內容: 0x%X 0x%X 0x%X\n", packet.parts.payload[0], packet.parts.payload[1], packet.parts.payload[2]);

    return 0;
}

此範例中，fullPacket 與 parts 結構體共用相同記憶體，使得程式可以依需求從不同角度解析資料。

將記憶體重新解讀為不同資料型別

利用共用體可以重新詮釋記憶體中的位元組。例如，可以將數值視為字串，或將浮點數當成整數來存取。

記憶體重新解讀範例

#include <stdio.h>

union Converter {
    int num;
    char bytes[4];
};

int main() {
    union Converter converter;
    converter.num = 0x12345678;

    printf("記憶體位元組表示:\n");
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        printf("位元組 %d: 0x%X\n", i, (unsigned char)converter.bytes[i]);
    }

    return 0;
}

此範例將整數 0x12345678 直接以位元組形式讀取，方便進行低階資料處理與除錯。

使用共用體時的注意事項

雖然共用體可提升記憶體效率，但同時存在型別安全與記憶體重疊等風險。例如，將整數值以浮點數形式讀取時，可能會得到不可預期的結果，因此必須在存取時確認型別正確性。

5. 共用體的使用注意事項與風險管理

共用體（union）是 C 語言中能夠提升記憶體使用效率的資料管理方式，但若使用不當，可能會引發不可預期的行為。本章將介紹使用共用體時需要特別留意的重點，以及降低風險的方法。

記憶體重疊的風險

由於共用體的所有成員共用相同記憶體區塊，如果在設定某個成員的值後，以另一個成員讀取，可能會得到錯誤或不可預測的結果。這種情況稱為「記憶體重疊」，特別是在不同型別的成員之間更容易發生。

記憶體重疊範例

#include <stdio.h>

union Example {
    int intValue;
    float floatValue;
};

int main() {
    union Example example;

    example.intValue = 42;  // 設定為整數
    printf("以浮點數讀取: %f\n", example.floatValue);  // 可能輸出錯誤數值

    return 0;
}

在上述程式中，intValue 的值以 floatValue 讀取時，極可能出現非預期的結果。因此，務必避免在型別不匹配的情況下讀取資料。

型別安全性問題

共用體並不具備型別安全的特性。開發者必須自行管理目前有效的資料型別，若誤用錯誤型別來讀取，會造成資料破壞或錯誤結果。

透過標籤式共用體確保型別安全

#include <stdio.h>

enum DataType { INTEGER, FLOAT };

struct TaggedUnion {
    enum DataType type;
    union {
        int intValue;
        float floatValue;
    } data;
};

int main() {
    struct TaggedUnion tu;

    tu.type = INTEGER;
    tu.data.intValue = 42;

    if (tu.type == INTEGER) {
        printf("整數值: %d\n", tu.data.intValue);
    } else if (tu.type == FLOAT) {
        printf("浮點值: %f\n", tu.data.floatValue);
    }

    return 0;
}

透過型別標籤 type 來追蹤共用體目前的有效資料型別，可以大幅降低存取錯誤型別的風險。

除錯的困難

由於共用體的特性，同一段記憶體會被多種型別重複使用，除錯時不容易判斷目前有效的成員是誰。因此在設計與開發階段，應特別注意以下事項：

• 檢查記憶體狀態：在除錯過程中觀察記憶體配置，確認最後被設定的成員。
• 加上詳細註解與文件：在程式碼中清楚說明共用體的用途與注意事項，方便其他開發者理解。
• 使用標籤式共用體：透過型別標籤避免錯誤存取，提升可維護性。

記憶體管理的注意事項

共用體的大小取決於最大成員的大小，不同平台的資料型別大小與記憶體配置可能不同，因此跨平台開發時必須特別注意環境差異。

避免環境相依問題

在不同平台處理共用體時，資料型別大小或記憶體對齊方式可能不同，導致程式行為改變。為避免這種情況，應了解目標平台的編譯器規則，並進行充分測試。

安全使用共用體的重點整理

• 確保型別安全：採用標籤式共用體追蹤當前有效成員。
• 改善除錯能力：加註詳細說明，並在需要時檢查記憶體狀態。
• 注意跨平台差異：針對不同平台進行測試與驗證。

6. 總結與實用重點

共用體（union）是在 C 語言中，能在節省記憶體的同時處理多種資料型別的重要資料結構。本文從基本語法、記憶體管理、實際應用場景到使用注意事項，完整介紹了共用體的特性。

共用體優勢回顧

共用體的最大優勢是能將不同型別的資料儲存在同一記憶體區塊中，減少記憶體消耗，特別適合嵌入式系統與網路程式設計等對記憶體效率要求高的應用。此外，它也適合用於需要重新解讀資料位元組的特殊需求。

風險管理與型別安全

為安全使用共用體，必須充分了解記憶體重疊與型別安全性問題。建議使用標籤式共用體管理當前型別，避免誤讀與資料破壞。

實務使用建議

• 使用標籤式共用體：明確管理共用體的有效成員，提升可讀性與安全性。
• 善用註解與文件：方便團隊協作與後續維護。
• 測試跨平台行為：避免記憶體配置差異引發錯誤。

結語

共用體是處理有限記憶體資源時的強大工具，適當結合型別管理技巧與除錯策略，可在確保安全性的同時發揮其最大效益。