fw: sizeof，終極無惑

時間 2019-11-13

標籤 sizeof 終極欄目 C&C++ 简体版

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sizeof，終極無惑

2013年11月09日 00:17:31 朱bryant 閱讀數：338

0. 前向聲明編程

sizeof，一個其貌不揚的傢伙，引無數菜鳥竟折腰，小蝦我當初也沒少犯迷糊，秉着「辛苦我一個，幸福千萬人」的偉大思想，我決定將其儘量詳細的總結一下。數組

但當我總結的時候才發現，這個問題既能夠簡單，又能夠複雜，因此本文有的地方並不適合初學者，甚至都沒有必要大做文章。但若是你想「知其然，更知其因此然」的話，那麼這篇文章對你或許有所幫助。數據結構

菜鳥我對C++的掌握還沒有深刻，其中不乏錯誤，歡迎各位扔磚砸蛋。app

1. 定義函數

sizeof是何方神聖？sizeof乃C/C++中的一個操做符（operator）是也，簡單的說其做用就是返回一個對象或者類型所佔的內存字節數。佈局

MSDN上的解釋爲：spa

The sizeof keyword gives the amount of storage, in bytes, associated with a variable or a type (including aggregate types)..net

This keyword returns a value of type size_t.指針

其返回值類型爲size_t，在頭文件stddef.h中定義。這是一個依賴於編譯系統的值，通常定義爲：對象

typedef unsigned int size_t;

世上編譯器林林總總，但做爲一個規範，它們都會保證char、signed char和unsigned char的sizeof值爲1，畢竟char是咱們編程能用的最小數據類型。

2. 語法

sizeof有三種語法形式，以下：

1) sizeof( object ); // sizeof( 對象 );
2) sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
3) sizeof object; // sizeof 對象;

因此，

int i;
sizeof( i ); // ok
sizeof i; // ok
sizeof( int ); // ok
sizeof int; // error

既然寫法3能夠用寫法1代替，爲求形式統一以及減小咱們大腦的負擔，第3種寫法，忘掉它吧！

實際上，sizeof計算對象的大小也是轉換成對對象類型的計算，也就是說，同種類型的不一樣對象其sizeof值都是一致的。這裏，對象能夠進一步延伸至表達式，即sizeof能夠對一個表達式求值，編譯器根據表達式的最終結果類型來肯定大小，通常不會對錶達式進行計算。如：

sizeof( 2 ); // 2的類型爲int，因此等價於 sizeof( int );
sizeof( 2 + 3.14 ); // 3.14的類型爲double，2也會被提高成double類型，因此等價於 sizeof( double );

sizeof也能夠對一個函數調用求值，其結果是函數返回類型的大小，函數並不會被調用，咱們來看一個完整的例子：

char foo()
{
    printf( "foo() has been called./n");
     return 'a';
}
int main()
{
    size_t sz = sizeof( foo() ); // foo() 的返回值類型爲char，因此sz = sizeof( char )，foo()並不會被調用
    printf( "sizeof( foo() ) = %d/n", sz);
}

C99標準規定，函數、不能肯定類型的表達式以及位域（bit-field）成員不能被計算sizeof值，即下面這些寫法都是錯誤的：

sizeof( foo ); // error

void foo2() { }
sizeof( foo2() ); // error

struct S
{
     unsigned int f1 : 1;
     unsigned int f2 : 5;
     unsigned int f3 : 12;
};
sizeof( S.f1 ); // error

3. sizeof的常量性

sizeof的計算髮生在編譯時刻，因此它能夠被看成常量表達式使用，如：

char ary[ sizeof( int ) * 10 ]; // ok

最新的C99標準規定sizeof也能夠在運行時刻進行計算，以下面的程序在Dev-C++中能夠正確執行：

int n;
n = 10; // n動態賦值
char ary[n]; // C99也支持數組的動態定義
printf( "%d/n", sizeof(ary)); // ok. 輸出10

但在沒有徹底實現C99標準的編譯器中就行不通了，上面的代碼在VC6中就通不過編譯。因此咱們最好仍是認爲sizeof是在編譯期執行的，這樣不會帶來錯誤，讓程序的可移植性強些。

4. 基本數據類型的sizeof

這裏的基本數據類型指short、int、long、float、double這樣的簡單內置數據類型，因爲它們都是和系統相關的，因此在不一樣的系統下取值可能不一樣，這務必引發咱們的注意，儘可能不要在這方面給本身程序的移植形成麻煩。

通常的，在32位編譯環境中，sizeof(int)的取值爲4。

5. 指針變量的sizeof

學過數據結構的你應該知道指針是一個很重要的概念，它記錄了另外一個對象的地址。既然是來存放地址的，那麼它固然等於計算機內部地址總線的寬度。因此在32位計算機中，一個指針變量的返回值一定是4（注意結果是以字節爲單位），能夠預計，在未來的64位系統中指針變量的sizeof結果爲8。

char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)(); // 函數指針
sizeof( pc ); // 結果爲4
sizeof( pi ); // 結果爲4
sizeof( ps ); // 結果爲4
sizeof( ppc ); // 結果爲4
sizeof( pf ); // 結果爲4

指針變量的sizeof值與指針所指的對象沒有任何關係，正是因爲全部的指針變量所佔內存大小相等，因此MFC消息處理函數使用兩個參數WPARAM、LPARAM就能傳遞各類複雜的消息結構（使用指向結構體的指針）。

6. 數組的sizeof

數組的sizeof值等於數組所佔用的內存字節數，如：

char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 結果爲4，字符串末尾還存在一個NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結果爲3*4=12（依賴於int）

一些朋友剛開始時把sizeof看成了求數組元素的個數，如今，你應該知道這是不對的，那麼應該怎麼求數組元素的個數呢？Easy，一般有下面兩種寫法：

int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char ); // 總長度/單個元素的長度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0] ); // 總長度/第一個元素的長度

寫到這裏，提一問，下面的c3，c4值應該是多少呢？

void foo3( char a3[3])
{
int c3 = sizeof( a3 ); // c3 == ?
}
void foo4( char a4[])
{
int c4 = sizeof( a4 ); // c4 == ?
}

也許當你試圖回答c4的值時已經意識到c3答錯了，是的，c3!=3。這裏函數參數a3已再也不是數組類型，而是蛻變成指針，至關於char* a3，爲何？仔細想一想就不難明白，咱們調用函數foo1時，程序會在棧上分配一個大小爲3的數組嗎？不會！數組是「傳址」的，調用者只需將實參的地址傳遞過去，因此a3天然爲指針類型（char*），c3的值也就爲4。

7. 結構體的sizeof

這是初學者問得最多的一個問題，因此這裏有必要多費點筆墨。讓咱們先看一個結構體：

struct S1
{
char c;
int i;
};

問sizeof(s1)等於多少？聰明的你開始思考了，char佔1個字節，int佔4個字節，那麼加起來就應該是5。是這樣嗎？你在你機器上試過了嗎？也許你是對的，但極可能你是錯的！VC6中按默認設置獲得的結果爲8。

Why？爲何受傷的老是我？

請不要沮喪，咱們來好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結果等於對象或者類型所佔的內存字節數，好吧，那就讓咱們來看看S1的內存分配狀況：

S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };

定義上面的變量後，加上斷點，運行程序，觀察s1所在的內存，你發現了什麼？

以個人VC6.0爲例，s1的地址爲0x0012FF78，其數據內容以下：

0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF

發現了什麼？怎麼中間夾雜了3個字節的CC？看看MSDN上的說明：

When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.

原來如此，這就是傳說中的字節對齊啊！一個重要的話題出現了。

爲何須要字節對齊？計算機組成原理教導咱們這樣有助於加快計算機的取數速度，不然就得多花指令週期了。爲此，編譯器默認會對結構體進行處理（實際上其它地方的數據變量也是如此），讓寬度爲2的基本數據類型（short等）都位於能被2整除的地址上，讓寬度爲4的基本數據類型（int等）都位於能被4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個數中間就可能須要加入填充字節，因此整個結構體的sizeof值就增加了。

讓咱們交換一下S1中char與int的位置：

struct S2
{
int i;
char c;
};

看看sizeof(S2)的結果爲多少，怎麼仍是8？再看看內存，原來成員c後面仍然有3個填充字節，這又是爲何啊？彆着急，下面總結規律。

字節對齊的細節和編譯器實現相關，但通常而言，知足三個準則：

1) 結構體變量的首地址可以被其最寬基本類型成員的大小所整除；
2) 結構體每一個成員相對於結構體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數倍，若有須要編譯器會在成員之間加上填充字節（internal adding）；
3) 結構體的總大小爲結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，若有須要編譯器會在最末一個成員以後加上填充字節（trailing padding）。

對於上面的準則，有幾點須要說明：

1) 前面不是說結構體成員的地址是其大小的整數倍，怎麼又說到偏移量了呢？由於有了第1點存在，因此咱們就能夠只考慮成員的偏移量，這樣思考起來簡單。想一想爲何。
結構體某個成員相對於結構體首地址的偏移量能夠經過宏offsetof()來得到，這個宏也在stddef.h中定義，以下：

#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)

例如，想要得到S2中c的偏移量，方法爲

size_t pos = offsetof(S2, c); // pos等於4

2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內置數據類型，這裏所說的「數據寬度」就是指其sizeof的大小。因爲結構體的成員能夠是複合類型，好比另一個結構體，因此在尋找最寬基本類型成員時，應當包括複合類型成員的子成員，而不是把複合成員當作是一個總體。但在肯定複合類型成員的偏移位置時則是將複合類型做爲總體看待。

這裏敘述起來有點拗口，思考起來也有點撓頭，仍是讓咱們看看例子吧（具體數值仍以VC6爲例，之後再也不說明）：

struct S3
{
     char c1;
    S1 s;
     char c2
};

S1的最寬基本成員的類型爲int，S3在考慮最寬基本類型成員時是將S1「打散」看的，因此S3的最寬基本類型爲int，這樣，經過S3定義的變量，其存儲空間首地址須要被4整除，整個sizeof(S3)的值也應該被4整除。

c1的偏移量爲0，s的偏移量呢？這時s是一個總體，它做爲結構體變量也知足前面三個準則，因此其大小爲8，偏移量爲4，c1與s之間便須要3個填充字節，而c2與s之間就不須要了，因此c2的偏移量爲12，算上c2的大小爲13，13是不能被4整除的，這樣末尾還得補上3個填充字節。最後獲得sizeof(S3)的值爲16。

經過上面的敘述，咱們能夠獲得一個公式：

結構體的大小等於最後一個成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節數目，即：
sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

到這裏，朋友們應該對結構體的sizeof有了一個全新的認識，但不要高興得太早，有一個影響sizeof的重要參量還未被說起，那即是編譯器的pack指令。它是用來調整結構體對齊方式的，不一樣編譯器名稱和用法略有不一樣，VC6中經過#pragma pack實現，也能夠直接修改/Zp編譯開關。#pragma pack的基本用法爲：#pragma pack( n )，n爲字節對齊數，其取值爲一、二、四、八、16，默認是8，若是這個值比結構體成員的sizeof值小，那麼該成員的偏移量應該以此值爲準，便是說，結構體成員的偏移量應該取兩者的最小值，公式以下：

offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )

再看示例：

#pragma pack( push) // 將當前pack設置壓棧保存
#pragma pack(2) // 必須在結構體定義以前使用
struct S1
{
     char c;
     int i;
};
struct S3
{
     char c1;
    S1 s;
     char c2
};
#pragma pack( pop) // 恢復先前的pack設置

計算sizeof(S1)時，min(2, sizeof(i))的值爲2，因此i的偏移量爲2，加上sizeof(i)等於6，可以被2整除，因此整個S1的大小爲6。

一樣，對於sizeof(S3)，s的偏移量爲2，c2的偏移量爲8，加上sizeof(c2)等於9，不能被2整除，添加一個填充字節，因此sizeof(S3)等於10。

如今，朋友們能夠輕鬆的出一口氣了，:)

還有一點要注意，「空結構體」（不含數據成員）的大小不爲0，而是1。試想一個「不佔空間」的變量如何被取地址、兩個不一樣的「空結構體」變量又如何得以區分呢？因而，「空結構體」變量也得被存儲，這樣編譯器也就只能爲其分配一個字節的空間用於佔位了。以下：

struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 結果爲1

8. 含位域結構體的sizeof

前面已經說過，位域成員不能單獨被取sizeof值，咱們這裏要討論的是含有位域的結構體的sizeof，只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來。

C99規定int、unsigned int和bool能夠做爲位域類型，但編譯器幾乎都對此做了擴展，容許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大體規則爲：

1) 若是相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小於類型的sizeof大小，則後面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納爲止；
2) 若是相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大於類型的sizeof大小，則後面的字段將重新的存儲單元開始，其偏移量爲其類型大小的整數倍；
3) 若是相鄰的位域字段的類型不一樣，則各編譯器的具體實現有差別，VC6採起不壓縮方式，Dev-C++採起壓縮方式；
4) 若是位域字段之間穿插着非位域字段，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小爲最寬基本類型成員大小的整數倍。

仍是讓咱們來看看例子。

示例1：

struct BF1
{
     char f1 : 3;
     char f2 : 4;
     char f3 : 5;
};

其內存佈局爲：

| f1 | f2 | | f3 | |
---------------------------------
| | | | | | | | | | | | | | | | |
---------------------------------
0 3 7 8 13 16 (byte)

位域類型爲char，第1個字節僅能容納下f1和f2，因此f2被壓縮到第1個字節中，而f3只能從下一個字節開始。所以sizeof(BF1)的結果爲2。

示例2：

struct BF2
{
     char f1 : 3;
     short f2 : 4;
     char f3 : 5;
};

因爲相鄰位域類型不一樣，在VC6中其sizeof爲6，在Dev-C++中爲2。

示例3：

struct BF3
{
     char f1 : 3;
     char f2;
     char f3 : 5;
};

非位域字段穿插在其中，不會產生壓縮，在VC6和Dev-C++中獲得的大小均爲3。