12. 联合体的大小：联合体大小计算规则、成员对齐对联合体大小的影响

联合体（union）在C语言里是个很有意思的存在。它和结构体长得像，但内存布局完全是两码事。结构体是“大家都有房间住”，联合体是“大家挤一个房间”。

那问题来了——这个“房间”到底该有多大？这就是我们今天要聊的核心：联合体的大小计算规则，以及成员对齐对它造成的影响。

12.1 联合体大小的基本规则

联合体的所有成员共享同一块内存。所以它的大小，至少得能装下最大的那个成员。这是最朴素的直觉，对吧？

但事情没这么简单。我当年刚学C语言时，写过一个联合体：

union Data {
    char c;
    int i;
    double d;
};

我当时想：char占1字节，int占4字节，double占8字节。那这个联合体应该是8字节吧？

嗯，结果是对的。但为什么？因为double是8字节，它最大。联合体的大小就是最大成员的大小——这是第一条规则。

但等等，这只是“至少”。实际大小往往比最大成员还要大一点。为什么？因为对齐。

12.2 对齐对联合体大小的影响

联合体也有对齐要求。它的对齐方式，是所有成员中对齐要求最严格的那个。说白了，联合体的对齐值等于所有成员对齐值的最大值。

我举个例子你就明白了：

union Example {
    char arr[5];   // 对齐值1，大小5
    int i;         // 对齐值4，大小4
};

最大成员是arr，5字节。但联合体的对齐要求是4（因为int的对齐值是4）。所以联合体的大小必须是4的倍数。5不是4的倍数，向上取整到8。

所以这个联合体的大小是8字节，而不是5字节。

12.3 联合体大小计算三步法

我总结了一个三步法，你照着做就不会错：

1. 找最大成员：找出所有成员中占用字节数最大的那个。
2. 找对齐值：找出所有成员中对齐要求最严格的那个值。
3. 向上取整：将最大成员的大小向上取整到对齐值的整数倍。

咱们用代码验证一下：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

union U1 {
    char a[5];
    int b;
};

union U2 {
    short c[3];
    double d;
};

union U3 {
    char e;
    int f[2];
    long long g;
};

int main() {
    printf("U1: %zu (预期8)\n", sizeof(union U1));
    printf("U2: %zu (预期16)\n", sizeof(union U2));
    printf("U3: %zu (预期8)\n", sizeof(union U3));
    return 0;
}

运行结果：

U1: 8 (预期8)
U2: 16 (预期16)
U3: 8 (预期8)

为什么会这样？

• U1：最大成员是char[5]（5字节），对齐值是int的4。5向上取整到4的倍数 → 8。
• U2：最大成员是short[3]（6字节），对齐值是double的8。6向上取整到8的倍数 → 16。
• U3：最大成员是int[2]（8字节）和long long（8字节），都是8。对齐值是long long的8。8已经是8的倍数 → 8。

12.4 联合体中的结构体成员

联合体里可以嵌套结构体。这时候计算大小就要把结构体当成一个整体来看。

struct Packed {
    char a;
    int b;
    short c;
};

union Container {
    struct Packed p;
    double d;
};

先算struct Packed的大小。假设在默认对齐下：

• char a 在偏移0
• int b 对齐值4，从偏移4开始，占4字节
• short c 对齐值2，从偏移8开始，占2字节
• 结构体总大小10字节，对齐值4，向上取整到12

所以struct Packed的大小是12字节。联合体Container的最大成员是struct Packed（12字节）和double（8字节），取12。对齐值是double的8和struct Packed的4中的最大值，也就是8。12向上取整到8的倍数 → 16。

所以union Container的大小是16字节。

12.5 联合体大小与位域

联合体里也可以有位域成员。位域的大小计算稍微特殊一点。

union BitFieldUnion {
    struct {
        unsigned int a : 3;
        unsigned int b : 5;
        unsigned int c : 8;
    } bits;
    unsigned int value;
};

这个联合体的大小是多少？

位域结构体bits的总位数是3+5+8=16位，也就是2字节。但unsigned int的对齐值是4，所以位域结构体的大小是4字节（向上取整到4的倍数）。联合体的最大成员是bits（4字节）和value（4字节），都是4。对齐值也是4。所以联合体大小是4字节。

你看，位域虽然只用了2字节，但联合体还是占了4字节。这就是对齐在作怪。

12.6 知识体系总结

我把联合体大小的核心逻辑画了张图，方便你理解：

这张图把计算流程串起来了。你写代码的时候，脑子里过一遍这三步，基本不会出错。

12.7 实用建议

最后给你几个我在项目中积累的经验：

• 明确对齐要求：跨平台代码里，用sizeof而不是硬编码大小。不同平台的对齐规则可能不同。
• 考虑使用packed：在嵌入式或网络协议场景下，如果内存是稀缺资源，可以考虑用__attribute__((packed))或#pragma pack(1)来取消对齐填充。
• 注意位域的对齐：位域成员的对齐行为在不同编译器下可能有差异，写可移植代码时要小心。
• 用sizeof验证：我习惯在代码里加个static_assert来验证联合体的大小是否符合预期。比如：static_assert(sizeof(union MyUnion) == 8, "Unexpected union size");