ユニオンタイプ

コンピュータサイエンスにおいて、共用体とは、同じメモリ領域内で複数の表現または形式のいずれかを持つことができる値であり、そのようなデータ構造を保持できる変数で構成されます。一部のプログラミング言語では、このようなデータ型の共用体型をサポートしています。言い換えると、共用体型は、そのインスタンスに格納できる許可された型を指定します (例:および) 。浮動小数点数と整数の両方を含むように定義できるレコードとは対照的に、共用体は一度に 1 つしか保持しません。 floatinteger

ユニオンは、異なるデータ型の変数を格納するために使用されるメモリの塊として考えることができます。フィールドに新しい値が割り当てられると、既存のデータは新しいデータで上書きされます。値を格納するメモリ領域には固有の型はありません (メモリのバイトまたはワード以外)。ただし、値は、メモリ領域に最後に書き込まれた値の型を持つ、いくつかの抽象データ型の 1 つとして扱うことができます。

型理論では、和集合は和型を持ちます。これは数学における 非結合和集合に対応します。

言語と型によっては、共用体値は、その特定の型を知らなくても、代入や等価性の比較などの一部の操作で使用できます。 その他の操作では、外部情報またはタグ付き共用体の使用によって、その型を知ることが必要になる場合があります。

タグなし共用体は、使用上の制限があるため、通常は型指定のない言語または型が安全でない方法 ( Cなど) でのみ提供されます。タグなし共用体には、単純なタグ付き共用体に比べて、データ型タグを格納するためのスペースを必要としないという利点があります。

「ユニオン」という名前は、型の正式な定義に由来しています。型を、その型がとることができるすべての値の集合と見なすと、ユニオン型は、そのフィールドのいずれかがとることができる任意の値をとるため、単にその構成型の数学的なユニオンです。また、数学的なユニオンは重複を破棄するため、ユニオンの複数のフィールドが 1 つの共通値をとる場合、値だけからどのフィールドが最後に書き込まれたかを判断することは不可能です。

ただし、共用体の便利なプログラミング機能の 1 つは、より小さなデータ要素をより大きなデータ要素にマッピングして、操作を容易にすることです。たとえば、4 バイトと 32 ビット整数で構成されるデータ構造は、符号なし 64 ビット整数との共用体を形成できるため、比較などの目的でより簡単にアクセスできるようになります。

ALGOL 68 にはタグ付きユニオンがあり、実行時に構成タイプを区別して抽出するために case 句を使用します。別のユニオンを含むユニオンは、そのすべての構成可能なセットとして扱われ、コンテキストで必要な場合は、ユニオンは自動的により広いユニオンに強制変換されます。ユニオンには明示的に値を含めず、実行時に区別することができます。例:

 モード ノード= union ( real、int、string、void );
 
 ノードn := "abc";
 
 ケースn in 
   (実数r): print(("実数:", r)),
   ( int i): print(("int:", i)),
   (文字列s): print(("文字列:", s)),
   ( void ): print(("void:", "EMPTY")),
    out          print(("?:", n))
  esac

C/C++の共用体の構文とキャストの概念は、タグなし形式ではあるものの、ALGOL 68から派生したものである。^[1]

CおよびC++では、タグなし共用体は、各データ メンバーが同じメモリ アドレスに配置されている点を除いて、構造体 ( struct )とほぼ同じように表現されます。構造体の場合と同様に、データ メンバーはプリミティブ値である必要はなく、実際には構造体または他の共用体である場合もあります。C++ ( C++11以降) では、データ メンバーを、本格的なコンストラクター/デストラクターおよび/またはコピー コンストラクター、または非自明なコピー代入演算子を持つ任意の型にすることもできます。たとえば、標準の C++文字列を共用体のメンバーにすることができます。

共用体の主な用途は、ハードウェア入出力アクセス、ビットフィールドとワードの共有、または型のパンニングなど、異なるデータ型による共通の場所へのアクセスを可能にすることです。共用体は低レベルのポリモーフィズムも提供できます。ただし、型のチェックは行われないため、さまざまなコンテキストで適切なフィールドがアクセスされるようにするのはプログラマの責任です。共用体変数の関連フィールドは通常、他の変数の状態によって決定され、場合によってはそれを囲む構造体の状態によって決定されます。

一般的な C プログラミングの慣用句の 1 つは、共用体を使用して、C++ で と呼ばれる処理を実行します。これreinterpret_castは、値の生の表現に依存するコードで行われるのと同様に、共用体の 1 つのフィールドに代入し、別のフィールドから読み取ります。実用的な例としては、IEEE 表現 を使用して平方根を計算する方法があります。ただし、これは一般に共用体の安全な使用方法ではありません。

構造体と共用体の指定子は同じ形式です。[...] 共用体のサイズは、そのメンバーの最大サイズを格納するのに十分です。共用体オブジェクトには、メンバーのうち最大 1 つの値をいつでも格納できます。適切に変換された共用体オブジェクトへのポインターは、その各メンバー (またはメンバーがビット フィールドの場合は、それが存在するユニット) を指します。その逆も同様です。

—  ANSI/ISO 9899:1990 (ANSI C 標準) セクション 6.5.2.1

C++、C11、および多くのコンパイラの非標準拡張機能では、共用体は匿名にすることもできます。そのデータメンバーは参照される必要がなく、直接アクセスされます。従来の共用体とは対照的に、いくつかの制限があります。C11では、別の構造体または共用体のメンバーである必要があります。^{[2] C++では、}メソッドやアクセス指定子を持つことはできません。

構文のクラス名部分を省略するだけでは、共用体が匿名共用体にはなりません。 共用体が匿名共用体として適格となるためには、宣言でオブジェクトを宣言してはなりません。 例:

#include <iostream> #include <cstdint> 
 

int main () { union { float f ; uint32_t d ; // float は 32 ビット幅であると想定します};  
    
       
        
   

   f = 3.14f ; std :: cout << "3.14f の 16 進表現:" << std :: hex << d << '\n' ; 0 を返す; }  
      
                  
 

struct匿名共用体はC言語の定義において名前​​空間の感覚を提供するのにも役立ちます。 ^[3]

GCC、Clang、IBM XL C for AIXなどのコンパイラでは、transparent_unionユニオン型に属性が利用できます。ユニオンに含まれる型は、すべての型が同じサイズであれば、関数呼び出しでユニオン型自体に透過的に変換できます。これは主に、初期のUnix拡張とその後の再標準化によって必要になった、複数のパラメータインターフェイスを持つ関数を対象としています。^[4]

COBOLでは、ユニオン データ項目は 2 つの方法で定義されます。最初の方法は、 RENAMES (66 レベル) キーワードを使用する方法です。このキーワードは、2 番目の英数字データ項目を、前のデータ項目と同じメモリ位置の上に効果的にマップします。以下のサンプル コードでは、データ項目PERSON-REC は、別のグループと数値データ項目を含むグループとして定義されています。PERSON -DATAは、 PERSON-REC の名前を変更し、その内部に続くデータ バイトを文字データとして扱う英数字データ項目として定義されています。

  01   PERSON-REC . 
05   PERSON-NAME . 10   PERSON-NAME-LAST PIC X(12) . 10   PERSON-NAME-FIRST PIC X(16) . 10   PERSON-NAME-MID PIC X . 05   PERSON-ID PIC 9(9) PACKED-DECIMAL .   01   PERSON-DATA RENAMES PERSON-REC .      
              
             
               
                      
  
                  

ユニオン型を定義する 2 番目の方法は、 REDEFINESキーワードを使用することです。以下のサンプル コードでは、データ項目VERS-NUM は、バージョン番号を含む 2 バイトのバイナリ整数として定義されています。2 番目のデータ項目VERS-BYTESは、2 文字の英数字変数として定義されています。2 番目の項目は最初の項目に対して再定義されるため、2 つの項目はメモリ内で同じアドレスを共有し、したがって同じ基礎データ バイトを共有します。最初の項目は 2 つのデータ バイトをバイナリ値として解釈し、2 番目の項目はバイトを文字値として解釈します。

  01   VERS-INFO . 
05   VERS-NUM PIC S9(4) COMP . 05   VERS-BYTES PIC X(2) VERS-NUMを再定義する               
            
                           

Pascalでは、共用体を作成する方法が 2 つあります。1 つはバリアント レコードを使用する標準的な方法です。2 つ目は、変数を絶対として宣言する非標準的な方法です。絶対変数は、別の変数と同じメモリ位置または絶対アドレスに配置されます。すべての Pascal コンパイラはバリアント レコードをサポートしていますが、絶対変数をサポートしているのは一部だけです。

この例では、バイトは8 ビット、 ワードは 16 ビット、整数 は 32 ビットで構成されます。

次の例は、非標準の絶対形式を示しています。

var 
A :整数; B :バイト絶対値の配列[ 1 .. 4 ] A ; C :整数絶対値0 ;     
         
       

最初の例では、配列 B の各要素は、変数 A の特定のバイトの 1 つにマップされます。2 番目の例では、変数 C は正確なマシン アドレス 0 に割り当てられます。

次の例では、レコードにバリアントがあり、その一部は他のレコードと同じ場所を共有しています。

type 
Shape = (円、正方形、三角形) ; Dimensions = record case Figure :円の形状: (直径:実数) ;正方形: (幅:実数) ;三角形: (辺:実数;角度 1 、角度 2 : 0 .. 360 ) end ;         
       
            
             
             
                
        

PL/Iでは、共用体の元々の用語はセルであり、^[5]これは現在でもいくつかのコンパイラで共用体の同義語として受け入れられています。共用体宣言は構造体定義に似ており、共用体宣言内の同じレベルの要素は同じストレージを占有します。共用体の要素は、構造体や配列など、任意のデータ型にすることができます。^{[6] : pp192–193}ここで、vers_numとvers_bytesは同じストレージ位置を占有します。

  1   vers_info共用体、5 vers_num固定バイナリ、5 vers_bytes pic '(2)A';         
              
           

ユニオン宣言の代替としてDEFINED属性があり、これによりストレージの代替宣言が可能になりますが、基本変数と定義変数のデータ型は一致している必要があります。^{[6] : pp.289–293}

Rustはタグ付きユニオンとタグなしユニオンの両方を実装しています。Rustでは、タグ付きユニオンはキーワードを使用して実装されています。他のほとんどの言語の列挙型enumとは異なり、Rustの列挙バリアントにはタプルまたは構造体の形式で追加データを含めることができるため、単純な列挙型ではなくタグ付きユニオンになります。^[7]

Rustは、キーワードを使用してタグなし共用体もサポートしていますunion。Rustの共用体のメモリレイアウトはデフォルトでは未定義ですが^[8]、属性を持つ共用体は#[repr(C)]Cの同等の共用体とまったく同じようにメモリ内に配置されます^[9]。共用体のフィールドの読み取りは関数unsafeまたはブロック内でのみ実行できます。これは、コンパイラが共用体内のデータがフィールドの型に対して有効であることを保証できないためです。そうでない場合は、未定義の動作が発生します^[10]。

C および C++ では、構文は次のようになります。

union <名前> { <データ型> < 1番目の変数名> ; <データ型> < 2番目の変数名> ; . . . <データ型> < n番目の変数名> ; } <共用体変数名> ; 

        
        
    
    
    
        
   

次の例に示すように、構造体は共用体のメンバーになることもできます。

共用体 name1 {構造体name2 { int a ; float b ; char c ; } svar ; int d ; } uvar ; 

     
      
             
           
            
     
         
 

この例では、変数をuvar共用体 ( としてタグ付けname1) として定義します。この共用体には 2 つのメンバー、 という名前の構造体 ( としてタグ付けname2) svar(さらに 3 つのメンバーを含む)、および という名前の整数変数が含まれますd。

共用体は構造体と配列内で発生する可能性があり、その逆も同様です。

構造体
{ int flags ; char * name ; int utype ; union { int ival ; float fval ; char * sval ; } u ; } symtab [ NSYM ];  
     
     
     
     
         
         
         
     
 

数値 ival は として参照されsymtab[i].u.ival、文字列 sval の最初の文字は*symtab[i].u.svalまたはのいずれかによって参照されますsymtab[i].u.sval[0]。

ユニオン型はPHP 8.0で導入されました。^[11]値は言語によって暗黙的に型で「タグ付け」され、「gettype()」によって取得できます。

クラスの 例
{ 
    private  int | float  $foo ;

    パブリック 関数 squareAndAdd ( float | int  $bar ) :  int | float 
    { 
        return  $bar  **  2  +  $this -> foo ; 
    } 
}

型付けのサポートはPython 3.5で導入されました。^[12]ユニオン型の新しい構文はPython 3.10で導入されました。^[13]

クラスの 例: 
    foo  =  0

    def  square_and_add ( self 、 bar :  int  |  float )  ->  int  |  float : 
        return  bar  **  2  +  self . foo

ユニオン型はTypeScriptでサポートされています。^[14]値は言語によって暗黙的に型で「タグ付け」され、typeofプリミティブ値の場合は呼び出し、instanceof複合データ型の場合は比較を使用して取得できます。重複して使用される型（たとえば、スライスメソッドは文字列と配列の両方に存在し、プラス演算子は文字列と数値の両方で機能します）では、これらの機能を使用するために追加の絞り込みは必要ありません。

function successor ( n : number | bigint ) : number | bigint { // 同じ演算をサポートする型は、絞り込みを必要としませんreturn ++ n ; }        
    
     


function dependsOnParameter ( v : string | Array < string > | number ) { // 異なる型は絞り込みが必要if ( v instanceof Array ) { // 何かを行う} else if ( typeof ( v ) === "string" ) { // 他の何かを行う} else { // 数値でなければならない} }       
    
        
        
          
        
      
        
    

Rust のタグ付き共用体はenumキーワードを使用し、タプルと構造体のバリアントを含めることができます。

enum  Foo { Bar ( i32 ), Baz { x : String , y : i32 }, } 
	
	    

Rust のタグなし共用体では次のunionキーワードを使用します。

ユニオン Foo { bar : i32 , baz : bool , } 
	
	

タグなしユニオンのフィールドから読み取ると、ユニオン内のデータがフィールドの型として有効でない場合、未定義の動作unsafeが発生するため、ブロックが必要になります。

let x = Foo { bar : 10 }; let y = unsafe { x . bar }; // これにより、y は 10 に設定され、未定義の動作は発生しません。let z = unsafe { x . baz }; // x に格納されている値が有効な bool ではないため、未定義の動作が発生します。      
       
       

• カーニハン、ブライアン W.、リッチー、デニス M. (1978)。プログラミング言語 C (第 1 版)。プレンティス ホール。p. 138。ISBN 978-0131101630. 2018年1月23日閲覧。

• boost::variant は、C++ ユニオンの型安全な代替手段です。
• MSDN: クラス、構造体、共用体、例と構文
• 違い、組合と構造の違い
• C++ における構造体と共用体の違い