面试题：C++ 中 struct 和 union 在数据共享与成员访问限制方面的特性

Question

假设你有一个应用场景，需要存储一个可以是整数、浮点数或者字符的数据，同时要尽量节省内存空间。请用C++的 `union` 来实现这个需求，并说明如何正确访问和修改其中的数据。另外，将其与使用 `struct` 实现相同功能进行对比，阐述各自的优缺点。

Answer 1

使用 union 实现

#include <iostream>
#include <cstring>

union Data {
    int intValue;
    float floatValue;
    char charValue;
};

int main() {
    Data data;
    // 存储整数
    data.intValue = 42;
    std::cout << "Stored integer: " << data.intValue << std::endl;

    // 存储浮点数
    data.floatValue = 3.14f;
    std::cout << "Stored float: " << data.floatValue << std::endl;

    // 存储字符
    data.charValue = 'A';
    std::cout << "Stored char: " << data.charValue << std::endl;

    return 0;
}

访问和修改数据

• 访问：根据当前存储的数据类型，直接访问对应的成员变量。例如，如果存储的是整数，就访问 intValue。
• 修改：直接给对应的成员变量赋值即可，例如 data.intValue = newIntValue;

union 与 struct 对比

• union 优点：
  • 节省内存：union 所有成员共享同一块内存空间，大小为其最大成员的大小，对于存储不同类型但不会同时使用的数据非常节省内存。
• union 缺点：
  • 数据一致性问题：由于所有成员共享内存，当修改一个成员的值时，会覆盖其他成员的值，需要程序员手动维护数据一致性，否则容易导致数据错误。
  • 类型安全问题：没有类型检查机制，可能会错误地访问与当前存储类型不匹配的成员，导致未定义行为。
• struct 优点：
  • 数据独立性：struct 的每个成员都有自己独立的内存空间，修改一个成员不会影响其他成员，数据一致性更容易维护。
  • 类型安全：编译器可以对 struct 的成员访问进行类型检查，减少未定义行为。
• struct 缺点：
  • 占用内存多：struct 的大小是所有成员大小之和（考虑内存对齐），对于存储不同类型但不会同时使用的数据，会浪费较多内存空间。