C++11非受限联合体(union)
在 C/C++ 中,联合体(Union)是一种构造数据类型。在一个联合体内,我们可以定义多个不同类型的成员,这些成员将会共享同一块内存空间。老版本的 C++ 为了和C语言保持兼容,对联合体的数据成员的类型进行了很大程度的限制,这些限制在今天看来并没有必要,因此 C++11 取消了这些限制。
C++11 标准规定,任何非引用类型都可以成为联合体的数据成员,这种联合体也被称为非受限联合体。例如:
POD 是 C++ 中一个比较重要的概念,在这里我们做一个简单介绍。POD 是英文 Plain Old Data 的缩写,用来描述一个类型的属性。
POD 类型一般具有以下几种特征(包括 class、union 和 struct等):
1) 没有用户自定义的构造函数、析构函数、拷贝构造函数和移动构造函数。
2) 不能包含虚函数和虚基类。
3) 非静态成员必须声明为 public。
4) 类中的第一个非静态成员的类型与其基类不同,例如:
5) 在类或者结构体继承时,满足以下两种情况之一:
我们来看具体的例子:
6) 所有非静态数据成员均和其基类也符合上述规则(递归定义),也就是说 POD 类型不能包含非 POD 类型的数据。
7) 此外,所有兼容C语言的数据类型都是 POD 类型(struct、union 等不能违背上述规则)。
这条规则可能导致对象构造失败,请看下面的例子:
解决上面问题的一般需要用到 placement new(稍后会讲解这个概念),代码如下:
placement new 的语法格式如下:
placement new 利用已经申请好的内存来生成对象,它不再为对象分配新的内存,而是将对象数据放在 address 指定的内存中。在本例中,placement new 使用的是 s 的内存空间。
同样的,非受限联合体也可以匿名,而当非受限的匿名联合体运用于类的声明时,这样的类被称为“枚举式类”。示例如下:
C++11 标准规定,任何非引用类型都可以成为联合体的数据成员,这种联合体也被称为非受限联合体。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类型的成员,gcc-5.1.0 版本报错 char name[10]; }; int main(){ return 0; }上面的代码中,因为 Student 类带有自定义的构造函数,所以是一个非 POD 类型的,这导致编译器报错。这种规定只是 C++ 为了兼容C语言而制定,然而在长期的编程实践中发现,这种规定是没有必要的。
关于 POD 类型稍后我们会讲解,大家先不要着急。
接下来,我们具体看一下 C++11 对 C++98 的改进。1. C++11 允许非 POD 类型
C++98 不允许联合体的成员是非 POD 类型,但是 C++1 1 取消了这种限制。POD 是 C++ 中一个比较重要的概念,在这里我们做一个简单介绍。POD 是英文 Plain Old Data 的缩写,用来描述一个类型的属性。
POD 类型一般具有以下几种特征(包括 class、union 和 struct等):
1) 没有用户自定义的构造函数、析构函数、拷贝构造函数和移动构造函数。
2) 不能包含虚函数和虚基类。
3) 非静态成员必须声明为 public。
4) 类中的第一个非静态成员的类型与其基类不同,例如:
class B1{};
class B2 : B1 { B1 b; };
5) 在类或者结构体继承时,满足以下两种情况之一:
- 派生类中有非静态成员,且只有一个仅包含静态成员的基类;
- 基类有非静态成员,而派生类没有非静态成员。
我们来看具体的例子:
class B1 { static int n; };
class B2 : B1 { int n1; };
class B3 : B2 { static int n2; };
6) 所有非静态数据成员均和其基类也符合上述规则(递归定义),也就是说 POD 类型不能包含非 POD 类型的数据。
7) 此外,所有兼容C语言的数据类型都是 POD 类型(struct、union 等不能违背上述规则)。
2. C++11 允许联合体有静态成员
C++11 删除了联合体不允许拥有静态成员的限制。例如:union U { static int func() { int n = 3; return n; } };需要注意的是,静态成员变量只能在联合体内定义,却不能在联合体外使用,这使得该规则很没用。
非受限联合体的赋值注意事项
C++11 规定,如果非受限联合体内有一个非 POD 的成员,而该成员拥有自定义的构造函数,那么这个非受限联合体的默认构造函数将被编译器删除;其他的特殊成员函数,例如默认拷贝构造函数、拷贝赋值操作符以及析构函数等,也将被删除。这条规则可能导致对象构造失败,请看下面的例子:
#include <string> using namespace std; union U { string s; int n; }; int main() { U u; // 构造失败,因为 U 的构造函数被删除 return 0; }在上面的例子中,因为 string 类拥有自定义的构造函数,所以 U 的构造函数被删除;定义 U 的类型变量 u 需要调用默认构造函数,所以 u 也就无法定义成功。
解决上面问题的一般需要用到 placement new(稍后会讲解这个概念),代码如下:
#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; }构造时,采用 placement new 将 s 构造在其地址 &s 上,这里 placement new 的唯一作用只是调用了一下 string 类的构造函数。注意,在析构时还需要调用 string 类的析构函数。
placement new 是什么?
placement new 是 new 关键字的一种进阶用法,既可以在栈(stack)上生成对象,也可以在堆(heap)上生成对象。相对应地,我们把常见的 new 的用法称为 operator new,它只能在 heap 上生成对象。placement new 的语法格式如下:
new(address) ClassConstruct(...)
address 表示已有内存的地址,该内存可以在栈上,也可以在堆上;ClassConstruct(...) 表示调用类的构造函数,如果构造函数没有参数,也可以省略括号。placement new 利用已经申请好的内存来生成对象,它不再为对象分配新的内存,而是将对象数据放在 address 指定的内存中。在本例中,placement new 使用的是 s 的内存空间。
非受限联合体的匿名声明和“枚举式类”
匿名联合体是指不具名的联合体(也即没有名字的联合体),一般定义如下:
union U{
union { int x; }; //此联合体为匿名联合体
};
同样的,非受限联合体也可以匿名,而当非受限的匿名联合体运用于类的声明时,这样的类被称为“枚举式类”。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; }上面的代码中使用了一个匿名非受限联合体,它作为类 Singer 的“变长成员”来使用,这样的变长成员给类的编写带来了更大的灵活性,这是 C++98 标准中无法达到的(编译器会报
member 'Student Singer::<anonymous union>::s' with constructor not allowed in union
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