C言語の共用体（union）の仕組みを完全ガイド！初心者でもわかるデータ共有とメモリの節約

1. C言語の共用体（union）とは？

1. C言語の共用体（union）とは？

C言語の共用体は、複数のデータ型を一つのメモリ領域で共有するための機能です。たくさんの変数を別々に持つと、その分だけメモリが必要になります。しかし共用体を使うと、一つの箱を状況に応じて使い分けるような感覚でデータを保存できます。

例えば、あるときは整数として使い、別のときは文字列として使うといった使い方ができます。初心者は最初「なぜそんなことをするのか」と不思議に思うかもしれませんが、組み込み機器やメモリが少ない環境で大きな力を発揮します。C言語はハードウェアに近い処理ができるため、こうした機能が用意されています。

2. 共用体の基本構文

2. 共用体の基本構文

共用体はunionというキーワードで宣言します。この書き方は構造体に似ていますが、動きが大きく違います。

union Data {
    int number;
    float price;
    char name[10];
};

この例では、整数、浮動小数点、文字列を同じメモリに保存できる形になります。共用体の変数を宣言すれば、このどれか一つを利用できます。

3. 同じメモリを共有するという仕組み

3. 同じメモリを共有するという仕組み

共用体の最大の特徴は、どのメンバーを使っても同じメモリを利用するという点です。一見すると「同時に全部使えないなんて不便では？」と思うかもしれません。しかし、必ずしも複数の値を同時に保持する必要がないケースでは大きなメリットになります。

構造体は複数のメンバーを独立して管理し、それぞれにメモリが割り当てられます。しかし共用体は、もっと効率よくまとめて扱えるため、限られた領域を有効活用できます。ハードウェア制御や通信プログラムなどでよく利用される考え方です。

4. 共用体を使うサンプル

4. 共用体を使うサンプル

実際に共用体を使う例を見てみましょう。整数と小数を切り替えて表示する簡単なプログラムです。

#include <stdio.h>

union Data {
    int number;
    float price;
};

int main(void)
{
    union Data d;
    d.number = 10;
    printf("整数として表示: %d\n", d.number);

    d.price = 3.14;
    printf("小数として表示: %f\n", d.price);

    printf("整数の値はどうなる？ %d\n", d.number);

    return 0;
}

このプログラムでは、最初に整数を代入し、次に小数を代入しています。しかし共用体は同じメモリを共有しているため、後から代入したデータが以前の値に上書きされます。そのため整数部分は書き換わってしまいます。これが共用体の特徴です。

5. 実行結果例

5. 実行結果例

整数として表示: 10
小数として表示: 3.140000
整数の値はどうなる？ 1078523331

最後の数字が想像と違う表示になることがあります。これは共用体がメモリを共有しているため、二つの形式が混ざったような形に見えてしまうためです。この性質は難しく感じるかもしれませんが、仕組みがわかると納得できます。

6. 共用体が役立つ場面

6. 共用体が役立つ場面

共用体は一見難しそうに思えますが、プログラムを効率良くするためにとても便利です。データの大きさが決まっていないときや、通信で受け取った値を別の型として解釈したいときに使われます。メモリを節約できるため、組み込み機器やセンサーを扱うプログラムでは必須といえるほど活躍します。

また、パケット解析やメモリマップされたデバイスの制御など、現実の開発でも利用されています。複雑な仕組みに見えますが、本質は「ひとつの領域を状況に応じて使い分ける」という考え方です。

まとめ

まとめ

C言語の共用体（union）で理解できた重要なポイント

この記事では、C言語における共用体unionの基本的な考え方から、構造体との違い、実際の動作の仕組み、そしてどのような場面で役立つのかまでを段階的に学んできました。 共用体は、複数のデータ型を一つのメモリ領域で共有するという、C言語ならではの低レベルな仕組みを持っています。 初心者のうちは「同時に複数の値を保持できないのは不便ではないか」と感じるかもしれませんが、 プログラムの目的によっては、同時に保持する必要がないケースも多く存在します。 そのような場面で共用体を使うことで、メモリ使用量を抑えながら効率的なプログラムを作成できます。

特に、組み込みシステムやハードウェア制御、通信処理などでは、限られたメモリをどのように使うかが非常に重要になります。 共用体は、同じビット列を異なる型として解釈できるため、データの受信や変換、状態の切り替えなどをシンプルに表現できます。 構造体structが「複数の情報を同時に管理する箱」だとすれば、共用体unionは「一つの箱を用途に応じて使い分ける仕組み」と考えると理解しやすくなります。 C言語の文法を覚えるだけでなく、メモリの考え方を学ぶうえでも、共用体はとても良い教材です。

共用体の動作を再確認するサンプルプログラム

ここで、共用体の特徴を改めて確認するためのサンプルプログラムを見てみましょう。 同じメモリ領域に異なる型の値を代入した場合、どのような結果になるのかを理解することが大切です。

#include <stdio.h>

union Sample {
    int value;
    float rate;
};

int main(void)
{
    union Sample data;

    data.value = 100;
    printf("整数として扱う: %d\n", data.value);

    data.rate = 12.5;
    printf("小数として扱う: %f\n", data.rate);

    printf("再び整数として読む: %d\n", data.value);

    return 0;
}

このように、後から代入したデータが同じメモリ領域に上書きされるため、 以前の型として読み出すと予期しない値になることがあります。 これを正しく理解せずに使うとバグの原因になりますが、 仕組みを把握したうえで使えば、非常に強力な表現手段となります。 共用体を使うときは、「今どの型として扱っているのか」を常に意識することが重要です。