面试题：C++ 结构体中成员函数与联合体的兼容性探讨

Question

在 C++ 结构体中可以定义成员函数，那联合体能否也定义成员函数？如果可以，需要注意哪些问题？如果不可以，原因是什么？请结合内存模型和运行机制进行分析。

Answer 1

1. 联合体能否定义成员函数：
   • 在 C++ 中，联合体是可以定义成员函数的。
2. 定义成员函数时需要注意的问题：
   • 内存共享问题：
     • 联合体所有成员共享同一块内存。例如：

union MyUnion {
    int i;
    float f;
    void printValue() {
        if (reinterpret_cast<char*>(&i) == reinterpret_cast<char*>(&f)) {
            std::cout << "They share the same memory location" << std::endl;
        }
    }
};

 - 当调用成员函数访问不同成员时，要确保当前存储的是期望的数据类型，否则会导致未定义行为。比如，先存储一个 `int` 到联合体，然后按 `float` 去访问，就可能得到错误的结果。

• 构造函数和析构函数：
  • 构造函数要考虑初始化联合体的初始状态。由于联合体成员共享内存，初始化一个成员意味着其他成员也会受到影响。例如：

union MyUnion {
    int i;
    float f;
    MyUnion(int value) : i(value) {}
};

 - 析构函数要注意释放可能分配的资源。如果联合体成员是自定义类型且需要释放资源（如包含动态分配的内存等），析构函数需要正确处理。

• 静态成员：
  • 联合体可以有静态成员函数。静态成员不依赖于联合体的实例，所以不存在内存共享相关的问题。例如：

union MyUnion {
    int i;
    static void staticFunction() {
        std::cout << "This is a static function of MyUnion" << std::endl;
    }
};

3. 结合内存模型和运行机制分析：
   • 内存模型：联合体的内存布局是所有成员共享同一块内存空间，其大小是联合体中最大成员的大小。例如，union { int i; double d; }，联合体大小是 sizeof(double)，因为 double 类型通常比 int 类型大。当定义成员函数时，函数代码存储在内存的代码段，而不是在联合体的内存空间内，成员函数通过 this 指针来访问联合体的成员，这与结构体定义成员函数类似。
   • 运行机制：当调用联合体的成员函数时，this 指针指向联合体实例的内存起始地址。由于成员共享内存，成员函数在访问成员时必须根据当前联合体实际存储的数据类型来进行正确的操作，否则运行时会出现未定义行为，比如数据读取错误或程序崩溃等情况。