C++中联合内的结构

Question

当变量与联合关联时，编译器通过考虑最大内存的大小来分配内存。因此，联合的大小等于最大成员的大小。所以这意味着改变任何成员的值都会改变其他成员的值。但是当我执行下面的代码时，

output: 4 5 7.000000
union job
{
    int a;
    struct data
    {
        double b;
        int x
    }q;
} w;


w.q.b=7;
w.a=4;
w.q.x=5;

printf("%d %d %f",w.a,w.q.x,w.q.b);
return 0;
}

问题是，首先我赋值a的值，然后修改q.x的值，然后a的值将被q.x覆盖。但在输出中，它仍然显示a和q.x的原始值。我不能理解为什么会发生这种情况？

Answer 1

你的理解是正确的-数字应该改变。我采用了您的代码，并添加了更多代码，以向您展示到底发生了什么。

真正的问题是相当有趣的，并且与浮点数在内存中的表示方式有关。

首先，让我们创建一个结构中使用的字节的映射：

aaaa
bbbbbbbbxxxx

如您所见，b的前四个字节与a重叠。这将被证明是重要的。

现在我们来看看double的典型存储方式(我是从64位英特尔架构的Mac的角度来写这篇文章的。碰巧内存中的格式确实是IEEE754格式)：

​

​

这里需要注意的重要一点是，Intel机器是“小端”的--也就是说，首先存储的数字是“右边的东西”，即“分数”的最低有效位。

现在让我们来看一个程序，它和你的代码做了同样的事情--但是打印出了结构的内容，所以我们可以看到发生了什么：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

void dumpBytes(void *p, int n) {
  int ii;
  char hex[9];
  for(ii = 0; ii < n; ii++) {
    sprintf(hex, "%02x", (char)*((char*)p + ii));
    printf("%s ", hex + strlen(hex)-2);
  }
  printf("\n");
}

int main(void) {
static union job
{
    int a;
    struct data
    {
        double b;
        int x;
    }q;
} w;


printf("intial value:\n");
dumpBytes(&w, sizeof(w));
w.q.b=7;
printf("setting w.q.b = 7:\n");
dumpBytes(&w, sizeof(w));
w.a=4;
printf("setting w.a = 4:\n");
dumpBytes(&w, sizeof(w));
w.q.x=5;
printf("setting w.q.x = 5:\n");
dumpBytes(&w, sizeof(w));

printf("values are now %d %d %.15lf\n",w.a,w.q.x,w.q.b);
w.q.b=7;
printf("setting w.q.b = 7:\n");
dumpBytes(&w, sizeof(w));
printf("values are now %d %d %.15lf\n",w.a,w.q.x,w.q.b);
return 0;
}

和输出：

intial value:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

全零(我声明了变量static -确保所有内容都将被初始化)。请注意，该函数输出16个字节，即使您可能认为最大元素是double + int的结构应该只有12个字节长。这与字节对齐有关-当最大的元素是8字节长时，结构将在8位边界上对齐。

setting w.q.b = 7:
00 00 00 00 00 00 1c 40 00 00 00 00 00 00 00 00 

让我们看一下代表double的字节的正确顺序：

40 1c 00 00 00 00 00 00

Sign bit = 0
exponent = 1 0000 0000 0111b  (binary representation)
mantissa = 0

setting w.a = 4:
04 00 00 00 00 00 1c 40 00 00 00 00 00 00 00 00 

当我们现在编写a时，我们已经修改了第一个字节。这对应于尾数的最低有效位，现在是(十六进制)：

00 00 00 00 00 00 04

现在尾数的格式意味着这个数字左边有一个1；所以把最后一位从0改为4 in只改变了一个很小的数字的大小-你需要查看第15个小数才能看到它。

setting w.q.x = 5:
04 00 00 00 00 00 1c 40 05 00 00 00 00 00 00 00 

值5被写在它自己的小空间中

values are now 4 5 7.000000000000004

注意-当我使用大量数字时，您可以看到b的最低有效部分并不完全是7 -即使double完全能够准确地表示整数。

setting w.q.b = 7:
00 00 00 00 00 00 1c 40 05 00 00 00 00 00 00 00 
values are now 0 5 7.000000000000000

在再次将7写入double之后，您可以看到第一个字节又是00，现在printf语句的结果确实是7.0。

所以-你的理解是正确的。问题出在你的诊断中--数字不同，但你看不到。

通常，查找这些东西的一个好方法是将数字存储在一个临时变量中，并查看差异。那么你就会很容易地找到它。

Answer 2

如果你运行下面的代码，你可以看到改变的值：

#include <stdio.h>

union job
{
    struct data
    {
         int x;
         double b;       
    }q;
    int a;
} w;

int main() {

    w.q.b=7;
    w.a=4;
    w.q.x=5;

    printf("%d %d %f",w.a,w.q.x,w.q.b);
    return 0;
 }

输出:5 5 7.000000

我稍微修改了联盟内部的结构，但这解释了您的担忧。

Answer 3

实际上，指令w.a = 4覆盖了w.q.b的数据。下面是你的记忆：

After   w.q.b=7;    After   w.a=4;      After   w.q.x=5;

|0|1|0|0|0|0|0|0|   |0|1|0|0|0|0|0|0|   |0|1|0|0|0|0|0|0|   \       \
|0|0|0|1|1|1|0|0|   |0|0|1|1|1|0|0|0|   |0|0|1|1|1|0|0|0|   |   w.a |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |       |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|1|0|0|   |0|0|0|0|0|1|0|0|   /       |   w.q.b
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|           |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|           |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|           |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|           /

-----------------   -----------------   -----------------

|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   \
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |   w.q.x
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |
|0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|0|0|0|   |0|0|0|0|0|1|0|1|   /

正如您可以看到的，由于将0分配给前4个字节，w.q.b的第30位从0更改为1，但这种更改太低，因为只有尾数部分受影响，并且打印w.q.b的精度没有显示这种更改。