共用体（union）

// 共用体型を定義します。
union 共用体タグ名 {
    型 メンバ名1;
    型 メンバ名2;
};

// 共用体変数を宣言します。
union 共用体タグ名 変数名;

// メンバへのアクセス（構造体と同じ記法）。
変数名.メンバ名;
ポインタ->メンバ名;

// 初期化は最初のメンバに対してのみ行えます（C89）。
// C99以降は指定初期化子が使えます。
union 共用体タグ名 変数名 = {.メンバ名 = 値};

sample_union.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

/* 数値を異なる型として解釈する共用体です。 */
union Number {
    int i;
    float f;
    unsigned char bytes[4];
};

/* タグ付き共用体: どのメンバが有効かを enum で管理します。 */
typedef enum { TYPE_INT, TYPE_DOUBLE, TYPE_STRING } ValueType;

typedef struct {
    ValueType type;
    union {
        int i_val;
        double d_val;
        char s_val[64];
    } data;
} Value;

void print_value(const Value *v) {
    switch (v->type) {
        case TYPE_INT:    printf("int: %d\n", v->data.i_val);    break;
        case TYPE_DOUBLE: printf("double: %f\n", v->data.d_val); break;
        case TYPE_STRING: printf("string: %s\n", v->data.s_val); break;
    }
}

int main(void) {
    union Number n;

    n.i = 42;
    printf("int値: %d\n", n.i);

    /* float として書き込むと i の値は無効になります。 */
    n.f = 3.14f;
    printf("float値: %f\n", n.f);

    /* bytes メンバでエンディアンを確認できます。 */
    n.i = 1;
    printf("bytes[0] = %u\n", n.bytes[0]); /* リトルエンディアンなら 1 */

    printf("union Number のサイズ: %zu バイト\n", sizeof(union Number));

    /* タグ付き共用体でバリアントデータを扱います。 */
    Value v1 = {TYPE_INT, {.i_val = 100}};
    Value v2 = {TYPE_DOUBLE, {.d_val = 3.14}};
    print_value(&v1);
    print_value(&v2);

    return 0;
}

コンパイルして実行すると次のようになります。

gcc union.c -o union
./union
int値: 42
float値: 3.140000
bytes[0] = 1
union Number のサイズ: 4 バイト
int: 100
double: 3.140000

union を使うと、整数値のバイト順（エンディアン）を確認できます。組み込みやネットワークプログラミングでよく使われる技法です。

union_endian.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

union Endian {
    uint32_t value;
    unsigned char bytes[4];
};

int main(void) {
    union Endian e;
    e.value = 0x01020304;

    printf("value = 0x%08X\n", e.value);
    printf("bytes: [0]=%02X [1]=%02X [2]=%02X [3]=%02X\n",
           e.bytes[0], e.bytes[1], e.bytes[2], e.bytes[3]);

    if (e.bytes[0] == 0x04) {
        printf("リトルエンディアン（下位バイトが先頭）\n");
    } else {
        printf("ビッグエンディアン（上位バイトが先頭）\n");
    }

    /* 32ビット float のビットパターンを uint32_t で見ます。 */
    union { float f; uint32_t u; } fu;
    fu.f = 1.0f;
    printf("1.0f のビットパターン: 0x%08X\n", fu.u);

    return 0;
}

コンパイルして実行すると次のようになります。

gcc union_endian.c -o union_endian
./union_endian
value = 0x01020304
bytes: [0]=04 [1]=03 [2]=02 [3]=01
リトルエンディアン（下位バイトが先頭）
1.0f のビットパターン: 0x3F800000

よくあるミス: 書き込んでいないメンバを読み出す

union では最後に書き込んだメンバだけが有効です。別のメンバを読み出すと未定義動作になります（unsigned char 経由のバイト読み出しは例外）。

union_undef_ng.c

#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
};

int main(void) {
    union Data d;

    /* NG: float を書き込んだあと int を読み出す（未定義動作） */
    d.f = 3.14f;
    /* printf("%d\n", d.i); */ /* 未定義動作: 書き込んでいない i を読む */

    /* OK: 書き込んだメンバだけを読み出す */
    d.i = 42;
    printf("int: %d\n", d.i); /* OK: i を書いて i を読む */

    d.f = 2.71f;
    printf("float: %f\n", d.f); /* OK: f を書いて f を読む */

    return 0;
}

修正後は次の通りです。

gcc union_undef_ng.c -o union_undef_ng
./union_undef_ng
int: 42
float: 2.710000

共用体の最大の特徴は、複数のメンバが同じメモリアドレスを共有することです。これにより1つの変数を複数の型として解釈できます。ハードウェアのレジスタやネットワークパケットの解析など、低レベルなバイト操作でよく使われます。

最後に書き込んだメンバ以外を読み出すことは、C言語の規格上「未定義動作」です。ただし、バイト表現の読み出し（『unsigned char』メンバ経由）は規格で許可されています。複数の型を安全に扱いたい場合はタグ付き共用体のパターンを使用してください。

関連するデータ構造として、全メンバを独立させたい場合は『struct（構造体）』を使います。関連する定数を列挙する場合は『enum（列挙型）』を参照してください。