（广义的）联合体

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2023-12-01

在C++98（或更早）版本中，union的成员类型，必须不含自定义构造/析构函数或者赋值操作符。

union U {
  int m1;
  complex m2;    //错误（明显的）：complex拥有构造函数
  //错误（不那么明显）：string的内部数据只能严格地由其构造函数，
  // 拷贝构造函数，和析构函数去维护
  string m3;
};

亦即：

U u;        // 使用哪个成员的构造函数呢？
u.m1 = 1;     // 给整型成员赋值
string s = u.m3;    //灾难：从string成员拷贝

显而易见，把值写入一个成员，之后又读取另外一个成员的做法是给自己找麻烦，然而人们往往并非刻意而为（多因失误导致）。

C++11对union的限制条件进行了放宽，以允许更灵活广泛的成员类型。其中值得特别指出的是，带有自定义构造函数/析构函数的类型现在也可作为union的成员了。此外，为使“灵活”不至成为脱缰野马，新标准又特别引入了“第四条军规”（译注：参见下文），并倡导使用“可识别union”（译注：参见下文Widget样例以及Boost::Any和Boost::Variant）。

C++11中的对union的限制条件重新定义如下：

不含虚函数（与C++98相同）
不含引用成员（与C++98相同）
没有基类（与C++98相同）
若union的某个成员的类型含有自定义构造/拷贝/析构函数，那么该union的相应构造/拷贝/析构函数将会被自动“禁用”（译注：在C++11中我们可以使用delete关键字来“禁用”构造/析构函数），随之而来的后果是：该union不能被实例化成对象。（新增的所谓“第四条军规”）

例如：

union U1 {
  int m1;
  complex m2;    // ok
};

union U2 {
  int m1;
  string m3;    // ok
};

上述代码看起来容易出问题（译注：例如有人实例化了U2类型的对象并给其m1成员赋值之后，当union析构时，m3的析构函数可能会crash），但是有了第四条军规，刚才的隐含问题便迎刃而解（译注：通过编译错误）。即：

U1 u;          // ok
u.m2 = {1,2};    // ok：给complex成员赋值
U2 u2;   // 编译错误: string类含有析构函数，因而U2的析构函数已被自动禁用
    //（译注：析构函数被禁用意味着不允许在栈上实例化U2对象，否则无法析构）
U2 u3 = u2;    // 编译错误：string类含有拷贝构造函数，
    // 因而U2类型同样也不能被拷贝构造

这样看来，先前定义的U2几乎没什么实际用途了。唯一可能用到这种奇葩union的地方是，把它嵌到结构体里并且额外记录其“当值”成员类型——也就是所谓的“可识别union”。样例如下：

class Widget {  // 用union存储的“三态”Widget
  private:
    // 用以实现“可识别union”的“当值”类型标记
    enum class Tag { point, number, text } type;
    union {    // 三态的具体存储形式
      point p;    // point类含有构造函数
      int i;
      string s;   // string类含有默认的构造/拷贝/析构函数
    };
    // ...
    // 由于string中存在拷贝函数，所以需要“手工拷贝”union
    Widget& operator=(const Widget& w)
    {
      // 译注：从text态到text态
      if (type==Tag::text && w.type==Tag::text) {
        s = w.s;    // 直接使用string的赋值运算符
        return *this;
      }
      // 译注：从text态到其他态，意味着union不再用于存放string
      //    由于union的拷贝函数已被自动禁用，
      //    所以需要有人手工释放string原先所占资源
      if (type==Tag::text) s.~string();  // 此处需要显式析构

      switch (w.type) {
      case Tag::point: p = w.p; break;  // 普通的拷贝
      case Tag::number: i = w.i; break;
      // 译注：C++98/03标准中的的原地拷贝构造语法
      case Tag::text: new(&s)(w.s); break;  // placement new
      }
      type = w.type;
      return *this;
    }
  };
};

其他参考文献：

[N2544=08-0054] Alan Talbot, Lois Goldthwaite, Lawrence Crowl, and Jens Maurer: Unrestricted unions (Revison 2)

（翻译：张潇）