面试题：C++结构体与联合体在特定应用场景下的选择考量

Question

假设在一个对内存空间极其敏感且需要频繁切换数据类型的嵌入式系统开发场景中，何时应优先选择使用结构体，何时应优先选择使用联合体？请结合底层原理、性能影响等多方面因素进行深入分析。

Answer 1

结构体

1. 底层原理：结构体是一种聚合数据类型，它将不同类型的数据成员组合在一起，每个成员在内存中都有自己独立的存储空间。结构体变量在内存中的存储是按照成员声明的顺序依次排列的，可能存在内存对齐的情况，以满足不同数据类型对地址边界的要求。例如，一个包含char（1字节）、int（4字节）的结构体，在32位系统中，char成员之后可能会填充3个字节，以保证int成员从4字节对齐的地址开始存储。
2. 适用场景：
   • 需要同时存储多个不同类型且相互关联的数据：比如在一个描述传感器数据的场景中，传感器可能会返回温度（float）、湿度（int）和状态标志（char）等不同类型的数据，使用结构体可以方便地将这些数据组合在一起进行管理和传递。
   • 对数据完整性要求高：因为结构体每个成员都有独立的存储空间，修改一个成员不会影响其他成员的值，这对于需要保证数据准确性和完整性的场景非常重要。
3. 性能影响：由于结构体成员各自占用独立空间，在内存空间敏感的场景下，可能会占用较多内存。并且在数据传输时，需要传输所有成员的数据，开销相对较大。

联合体

1. 底层原理：联合体也是一种聚合数据类型，但它所有成员共享同一块内存空间，其大小取决于最大成员的大小。例如，一个包含char和int的联合体，其大小为4字节（假设int为4字节），char和int共用这4字节内存。联合体变量在内存中的存储以最大成员的对齐方式为准。
2. 适用场景：
   • 频繁切换数据类型且同一时刻只使用一种数据类型：例如在一个通信协议解析模块中，根据不同的指令类型，数据包中的数据可能是不同类型（有时是一个int表示命令编号，有时是一个float表示参数值），但同一时刻只会有一种类型有效，此时使用联合体可以节省内存空间。
   • 内存空间极度受限：因为联合体成员共享内存，能最大程度减少内存占用，在对内存空间极其敏感的嵌入式系统中，如果满足同一时刻只使用一种数据类型的条件，联合体是很好的选择。
3. 性能影响：由于联合体共享内存，在切换数据类型时，不需要额外的内存分配和释放操作，相对节省时间。但在使用时需要特别小心，因为修改一个成员的值会同时改变其他成员的值（因为共享内存），如果使用不当可能导致数据错误。

综上所述，在对内存空间极其敏感且需要频繁切换数据类型的嵌入式系统开发场景中，如果同一时刻需要使用多个不同类型的数据且对数据完整性要求高，优先选择结构体；如果同一时刻只使用一种数据类型且对内存空间节省要求苛刻，优先选择联合体。