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C++11:非受限聯合體(union)

2022-12-29 06:28:35 後端開發

在 C/C++ 中,聯合體(Union)是一種構造資料型別,在一個聯合體內,我們可以定義多個不同型別的成員,這些成員將會共享同一塊記憶體空間,老版本的 C++ 為了和C語言保持兼容,對聯合體的資料成員的型別進行了很大程度的限制,這些限制在今天看來并沒有必要,因此 C++11 取消了這些限制,

C++11 標準規定,任何非參考型別都可以成為聯合體的資料成員,這種聯合體也被稱為非受限聯合體,例如:

class Student{
public:
    Student(bool g, int a): gender(g), age(a) {}
private:
    bool gender;
    int age;
};

union T{
    Student s;  // 含有非POD型別的成員,gcc-5.1.0  版本報錯
    char name[10];
};
int main(){
    return 0;
}

上面的代碼中,因為 Student 類帶有自定義的建構式,所以是一個非 POD 型別的,這導致編譯器報錯,這種規定只是 C++ 為了兼容C語言而制定,然而在長期的編程實踐中發現,這種規定是沒有必要的,

1. C++11 允許非 POD 型別

C++98 不允許聯合體的成員是非 POD 型別,但是 C++11 取消了這種限制,

POD 是 C++ 中一個比較重要的概念,POD 是英文 Plain Old Data 的縮寫,用來描述一個型別的屬性,POD 型別一般具有以下幾種特征(包括 class、union 和 struct等):

  1. 沒有用戶自定義的建構式、解構式、拷貝建構式和移動建構式,

  2. 不能包含虛函式和虛基類,

  3. 非靜態成員必須宣告為 public,

  4. 類中的第一個非靜態成員的型別與其基類不同,例如:

class B1{};
class B2 : B1 { B1 b; };

class B2 的第一個非靜態成員 b 是基型別別,所以它不是 POD 型別,

  1. 在類或者結構體繼承時,滿足以下兩種情況之一:
  • 派生類中有非靜態成員,且只有一個僅包含靜態成員的基類;
  • 基類有非靜態成員,而派生類沒有非靜態成員,

比如下面的例子:

class B1 { static int n; };
class B2 : B1 { int n1; };
class B3 : B2 { static int n2; };

對于 B2,派生類 B2 中有非靜態成員,且只有一個僅包含靜態成員的基類 B1,所以它是 POD 型別,對于 B3,基類 B2 有非靜態成員,而派生類 B3 沒有非靜態成員,所以它也是 POD 型別,

  1. 所有非靜態資料成員均和其基類也符合上述規則(遞回定義),也就是說 POD 型別不能包含非 POD 型別的資料,

  2. 此外,所有兼容C語言的資料型別都是 POD 型別(struct、union 等不能違背上述規則),

2. C++11 允許聯合體有靜態成員

C++11 洗掉了聯合體不允許擁有靜態成員的限制,例如:

union U {
    static int func() {
        int n = 3;
        return n;
    }
};

需要注意的是,靜態成員變數只能在聯合體內定義,卻不能在聯合體外使用,這使得該規則很沒用,

3. 非受限聯合體的賦值注意事項

C++11 規定,如果非受限聯合體內有一個非 POD 的成員,而該成員擁有自定義的建構式,那么這個非受限聯合體的默認建構式將被編譯器洗掉;其他的特殊成員函式,例如默認拷貝建構式、拷貝賦值運算子以及解構式等,也將被洗掉,這條規則可能導致物件構造失敗,比如下面的例子:

#include <string>
using namespace std;

union U {
    string s;
    int n;
};

int main() {
    U u;   // 構造失敗,因為 U 的建構式被洗掉
    return 0;
}

在上面的例子中,因為 string 類擁有自定義的建構式,所以 U 的建構式被洗掉;定義 U 的型別變數 u 需要呼叫默認建構式,所以 u 也就無法定義成功,

解決上面問題的一般需要用到 placement new,代碼如下:

#include <string>
using namespace std;

union U {
    string s;
    int n;
public:
    U() { new(&s) string; }
    ~U() { s.~string(); }
};

int main() {
    U u;
    return 0;
}

構造時,采用 placement new 將 s 構造在其地址 &s 上,這里 placement new 的唯一作用只是呼叫了一下 string 類的建構式,注意,在析構時還需要呼叫 string 類的解構式,

placement new 是什么?

placement new 是 new 關鍵字的一種進階用法,既可以在堆疊(stack)上生成物件,也可以在堆(heap)上生成物件,相對應地,我們把常見的 new 的用法稱為 operator new,它只能在 heap 上生成物件,placement new 的語法格式如下:

new(address) ClassConstruct(...)

address 表示已有記憶體的地址,該記憶體可以在堆疊上,也可以在堆上;ClassConstruct(...) 表示呼叫類的建構式,如果建構式沒有引數,也可以省略括號,placement new 利用已經申請好的記憶體來生成物件,它不再為物件分配新的記憶體,而是將物件資料放在 address 指定的記憶體中,在本例中,placement new 使用的是 s 的記憶體空間,

4. 非受限聯合體的匿名宣告和“列舉式類”

匿名聯合體是指不具名的聯合體(也即沒有名字的聯合體),一般定義如下:

union U{
  union { int x; }; //此聯合體為匿名聯合體
};

可以看到,聯合體 U 內定義了一個不具名的聯合體,該聯合體包含一個 int 型別的成員變數,我們稱這個聯合體為匿名聯合體,

同樣的,非受限聯合體也可以匿名,而當非受限的匿名聯合體運用于類的宣告時,這樣的類被稱為“列舉式類”,示例如下:

#include <cstring>
using namespace std;

class Student{
public:
    Student(bool g, int a): gender(g), age(a){}
    bool gender;
    int age;
};

class Singer {
public:
    enum Type { STUDENT, NATIVE, FOREIGENR };
    Singer(bool g, int a) : s(g, a) { t = STUDENT; }
    Singer(int i) : id(i) { t = NATIVE; }
    Singer(const char* n, int s) {
        int size = (s > 9) ? 9 : s;
        memcpy(name , n, size);
        name[s] = '\0';
        t = FOREIGENR;
    }
    ~Singer(){}
private:
    Type t;
    union {
        Student s;
        int id;
        char name[10];
    };
};

int main() {
    Singer(true, 13);
    Singer(310217);
    Singer("J Michael", 9);
    return 0;
}

上面的代碼中使用了一個匿名非受限聯合體,它作為類 Singer 的“變長成員”來使用,這樣的變長成員給類的撰寫帶來了更大的靈活性,這是 C++98 標準中無法達到的(編譯器會報member 'Student Singer::<anonymous union>::s' with constructor not allowed in union錯誤),

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