?????????????????????????????????????? 關(guān)于 sizeof() 的一些思考?
?????????????????????????????????????????????????????????馬嘉楠
關(guān)鍵詞：
sizeof
這是網(wǎng)上的一個(gè)帖子，最初來(lái)自那里已經(jīng)記不得了，不過(guò)我覺(jué)得很不錯(cuò)。
我對(duì)原文做了一些修改，并添加了一些內(nèi)容。如果有什么錯(cuò)誤的地方，請(qǐng)大家指正，謝謝~~
?????????????????????? --- majianan 2005-12-19
?
0.關(guān)鍵字
：sizeof，字節(jié)對(duì)齊，類型大小
前向聲明：
??? sizeof，一個(gè)其貌不揚(yáng)的家伙，引無(wú)數(shù)菜鳥(niǎo)竟折腰.
??? 小蝦我當(dāng)初也沒(méi)少犯迷糊，秉著“辛苦我一個(gè)，幸福千萬(wàn)人”的偉大思想,我決定將其盡可能詳細(xì)的總結(jié)一下。
??? 但當(dāng)我總結(jié)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題既可以簡(jiǎn)單，又可以復(fù)雜。所以本文有的地方并不適合初學(xué)者，甚至都沒(méi)有必要大作文章。但如果你想“知其然，更知其所以然”的話，那么這篇文章對(duì)你或許有所幫助。
???
?? ?菜鳥(niǎo)我對(duì)C++的掌握尚未深入，其中不乏錯(cuò)誤，歡迎各位指正啊
1. 定義：
??? sizeof是何方神圣？
??? sizeof 乃 C/C++ 中的一個(gè)操作符（operator）是也。簡(jiǎn)單說(shuō)其作用就是返回一個(gè)對(duì)象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。
MSDN上的解釋為：
The sizeof keyword gives the amount of storage, in bytes, associated with a variable or a type (including aggregate types).This keyword returns a value of type size_t.
??? 其返回值類型為size_t，在頭文件stddef.h中定義。這是一個(gè)依賴于編譯系統(tǒng)的值，一般定義為
typedef unsigned int size_t;
??? 世上編譯器林林總總，但作為一個(gè)規(guī)范，它們都會(huì)保證char、signed char和unsigned char的sizeof值為1，畢竟char是我們編程能用的最小數(shù)據(jù)類型。
2. 語(yǔ)法：
??? sizeof有三種語(yǔ)法形式，如下：
??? 1) sizeof( object );??? // sizeof( 對(duì)象 );
??? 2) sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
??? 3) sizeof object;?????? // sizeof 對(duì)象;
所以，
int i;
sizeof( i );???? // ok
sizeof i;?? ???? // ok
sizeof( int );?? // ok
sizeof int;????? // error
既然寫法2可以用寫法1代替，為求形式統(tǒng)一以及減少我們大腦的負(fù)擔(dān)，第2種寫法，忘掉它吧！
實(shí)際上，sizeof計(jì)算對(duì)象的大小也是轉(zhuǎn)換成對(duì)對(duì)象類型的計(jì)算。也就是說(shuō)，同種類型的不同對(duì)象其sizeof值都是一致的。
這里，對(duì)象可以進(jìn)一步延伸至表達(dá)式，即sizeof可以對(duì)一個(gè)表達(dá)式求值。編譯器根據(jù)表達(dá)式的最終結(jié)果類型來(lái)確定大小，一般不會(huì)對(duì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。
例如：
sizeof( 2 );????????// 2的類型為int，所以等價(jià)于 sizeof( int );
sizeof( 2 + 3.14 );?// 3.14的類型為double，2也會(huì)被提升成double類型，所以等價(jià)于 sizeof( double );
??? sizeof也可以對(duì)一個(gè)函數(shù)調(diào)用求值，其結(jié)果是函數(shù)返回類型的大小，函數(shù)并不會(huì)被調(diào)用。我們來(lái)看一個(gè)完整的例子：
*********************************************************
char foo()
{
????printf("foo() has been called.\n");
????return 'a';
}
int main()
{
????size_t sz = sizeof( foo() );?? // foo() 的返回值類型為char，所以sz = sizeof(char)，但函數(shù)foo()并不會(huì)被調(diào)用
????printf("sizeof( foo() ) = %d\n", sz);
}
*********************************************************
C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，函數(shù)、不能確定類型的表達(dá)式以及位域（bit-field）成員不能被計(jì)算sizeof值，即下面這些寫法都是錯(cuò)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(jì)算發(fā)生在編譯時(shí)刻，所以它可以被當(dāng)作常量表達(dá)式使用。如：
char ary[ sizeof( int ) * 10 ];?? // ok
最新的C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定sizeof也可以在運(yùn)行時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。如下面的程序在Dev-C++中可以正確執(zhí)行：
int n;
n = 10;??????? // n動(dòng)態(tài)賦值
char ary[n];?? // C99也支持?jǐn)?shù)組的動(dòng)態(tài)定義
printf("%d\n", sizeof(ary)); // ok. 輸出10
但在沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)C99標(biāo)準(zhǔn)的編譯器中就行不通了，上面的代碼在VC6中就通不過(guò)編譯。所以我們最好還是認(rèn)為sizeof是在編譯期執(zhí)行的，這樣不會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤，讓程序的可移植性強(qiáng)些。
4. 基本數(shù)據(jù)類型的sizeof
這里的基本數(shù)據(jù)類型指short、int、long、float、double這樣的簡(jiǎn)單內(nèi)置數(shù)據(jù)類型。由于它們都是和系統(tǒng)相關(guān)的，所以在不同的系統(tǒng)下取值可能不同。這務(wù)必引起我們的注意，盡量不要在這方面給自己程序的移植造成麻煩。
一般的，在32位編譯環(huán)境中，sizeof(int)的取值為4。
5. 指針變量的sizeof
學(xué)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的你應(yīng)該知道指針是一個(gè)很重要的概念，它記錄了另一個(gè)對(duì)象的地址。既然是來(lái)存放地址的，那么它當(dāng)然等于計(jì)算機(jī)內(nèi)部地址總線的寬度。所以在32位計(jì)算機(jī)中，一個(gè)指針變量的返回值必定是4（注意結(jié)果是以字節(jié)為單位）。可以預(yù)計(jì)，在將來(lái)的64位系統(tǒng)中指針變量的sizeof結(jié)果為8。
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char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)();?// 函數(shù)指針
sizeof( pc ); // 結(jié)果為4
sizeof( pi ); // 結(jié)果為4
sizeof( ps ); // 結(jié)果為4
sizeof( ppc );// 結(jié)果為4
sizeof( pf ); // 結(jié)果為4
*********************************************************
指針變量的sizeof值與指針?biāo)傅膶?duì)象沒(méi)有任何關(guān)系，正是由于所有的指針變量所占內(nèi)存大小相等，所以MFC消息處理函數(shù)使用兩個(gè)參數(shù)WPARAM、LPARAM就能傳遞各種復(fù)雜的消息結(jié)構(gòu)（使用指向結(jié)構(gòu)體的指針）。
6. 數(shù)組的sizeof
數(shù)組的sizeof值等于數(shù)組所占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，如：
char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 結(jié)果為4，字符 末尾還存在一個(gè)NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結(jié)果為3*4=12（依賴于int）
一些朋友剛開(kāi)始時(shí)把sizeof當(dāng)作了求數(shù)組元素的個(gè)數(shù)，現(xiàn)在，你應(yīng)該知道這是不對(duì)的。那么應(yīng)該怎么求數(shù)組元素的個(gè)數(shù)呢？
Easy，通常有下面兩種寫法：
int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char );??? // 總長(zhǎng)度/單個(gè)元素的長(zhǎng)度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0]); ?? // 總長(zhǎng)度/第一個(gè)元素的長(zhǎng)度
寫到這里，提一問(wèn)，下面的c3，c4值應(yīng)該是多少呢？
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void foo3(char a3[3])
{
????int c3 = sizeof( a3 ); // c3 ==
}
void foo4(char a4[])
{
????int c4 = sizeof( a4 ); // c4 ==
}
*********************************************************
也許當(dāng)你試圖回答c4的值時(shí)已經(jīng)意識(shí)到c3答錯(cuò)了，是的，c3!=3。
這里函數(shù)參數(shù)a3已不再是數(shù)組類型，而是蛻變成指針。相當(dāng)于char* a3，為什么仔細(xì)想想就不難明白。
我們調(diào)用函數(shù)foo1時(shí)，程序會(huì)在棧上分配一個(gè)大小為3的數(shù)組嗎？不會(huì)！
數(shù)組是“傳址”的，調(diào)用者只需將實(shí)參的地址傳遞過(guò)去，所以a3自然為指針類型（char*），c3的值也就為4。
7.string的sizeof
一個(gè)string的大小與它所指向的字符串的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。
*********************************************************
string st1("blog.sina.com.cn");
string st2("majianan");
string st3;
string *ps = &st1;
cout << "st1: " << sizeof(st1) << endl;
cout << "st2: " << sizeof(st2) << endl;
cout << "st3: " << sizeof(st3) << endl;
cout << "ps: " << sizeof(ps) << endl;
cout << "*ps: " << sizeof(*ps) << endl;
*********************************************************
輸出結(jié)果為：
st1： 28
st2： 28
st3： 28
ps： 4
*ps： 28
*********************************************************
對(duì)于不同的STL，String類的結(jié)構(gòu)定義會(huì)有所不同
所以不同的工具，例如VC++，和.NET，結(jié)果會(huì)有所不同，
在VC++6.0中（我的機(jī)器）結(jié)果是16
在.NET2003中結(jié)果是28
但是對(duì)于同一個(gè)編譯器，那么它的結(jié)果都是一定的
8.引用的sizeof
sizeof操作符應(yīng)用在引用類型上的時(shí)候，返回的是包含被引用對(duì)象所需的內(nèi)存長(zhǎng)度（即被引用對(duì)象的大小）
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cout << "short:\t" << sizeof(short) << endl;
cout << "short*:\t" << sizeof(short*) << endl;
cout << "short&:\t" << sizeof(short&) << endl;
cout << "short[4]:\t" << sizeof(short[4]) << endl;
cout << "int&:\t" << sizeof(int&) << endl;
*********************************************************
輸出結(jié)果為：
short： 2
short*： 4
short&： 2
short[4]： 8
int&： 4
9. 結(jié)構(gòu)體的sizeof
這是初學(xué)者問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)題，所以這里有必要多費(fèi)點(diǎn)筆墨。讓我們先看一個(gè)結(jié)構(gòu)體：
struct S1
{
??? char c;
??? int i;
};
問(wèn)sizeof(s1)等于多少？
聰明的你開(kāi)始思考了，char占1個(gè)字節(jié)，int占4個(gè)字節(jié)，那么加起來(lái)就應(yīng)該是5。
是這樣嗎？
你在你機(jī)器上試過(guò)了嗎？
也許你是對(duì)的，但很可能你是錯(cuò)的！
VC6中按默認(rèn)設(shè)置得到的結(jié)果為8。
??? Why？為什么受傷的總是我？
請(qǐng)不要沮喪，我們來(lái)好好琢磨一下sizeof的定義 —— sizeof的結(jié)果等于對(duì)象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。好吧，那就讓我們來(lái)看看S1的內(nèi)存分配情況：
S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };
定義上面的變量后，加上斷點(diǎn)，運(yùn)行程序，觀察s1所在的內(nèi)存，你發(fā)現(xiàn)了什么？
以我的VC6.0為例，s1的地址為0x0012FF78，其數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：
0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF
發(fā)現(xiàn)了什么？怎么中間夾雜了3個(gè)字節(jié)的CC？
看看MSDN上的說(shuō)明：
When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.
原來(lái)如此，這就是傳說(shuō)中的字節(jié)對(duì)齊啊！一個(gè)重要的話題出現(xiàn)了。
為什么需要字節(jié)對(duì)齊？
計(jì)算機(jī)組成原理教導(dǎo)我們，這樣有助于加快計(jì)算機(jī)的取數(shù)速度，否則就得多花指令周期了。
為此，編譯器默認(rèn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行處理（實(shí)際上其它地方的數(shù)據(jù)變量也是如此），讓寬度為2的基本數(shù)據(jù)類型（short等）都位于能被2整除的地址上，讓寬度為4的基本數(shù)據(jù)類型（int等）都位于能被4整除的地址上。以此類推，這樣，兩個(gè)數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié)，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長(zhǎng)了。
讓我們交換一下S1中char與int的位置：
struct S2
{
????int i;
????char c;
};
看看sizeof(S2)的結(jié)果為多少？怎么還是8。
再看看內(nèi)存，原來(lái)成員c后面仍然有3個(gè)填充字節(jié)。
這又是為什么啊？別著急，下面總結(jié)規(guī)律。
??? 字節(jié)對(duì)齊的細(xì)節(jié)和編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān)，但一般而言，滿足三個(gè)準(zhǔn)則：
??? 1) 結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；
??? 2) 結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)（internal adding）；
??? 3) 結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)（trailing padding）。
??? 對(duì)于上面的準(zhǔn)則，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明：
1)?前面不是說(shuō)結(jié)構(gòu)體成員的地址是其大小的整數(shù)倍，怎么又說(shuō)到偏移量了呢？
因?yàn)橛辛说?點(diǎn)存在，所以我們就可以只考慮成員的偏移量，這樣思考起來(lái)簡(jiǎn)單。想想為什么。
結(jié)構(gòu)體某個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量可以通過(guò)宏offsetof()來(lái)獲得，這個(gè)宏也在stddef.h中定義，如下：
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
例如，想要獲得S2中c的偏移量，方法為
size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等于4
2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型。這里所說(shuō)的“數(shù)據(jù)寬度”就是指其sizeof的大小。由于結(jié)構(gòu)體的成員可以是復(fù)合類型，比如另外一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所以在尋找最寬基本類型成員時(shí)，應(yīng)當(dāng)包括復(fù)合類型成員的子成員，而不是把復(fù)合成員看成是一個(gè)整體。但在確定復(fù)合類型成員的偏移位置時(shí)則是將復(fù)合類型作為整體看待。
這里敘述起來(lái)有點(diǎn)拗口，思考起來(lái)也有點(diǎn)撓頭，還是讓我們看看例子吧（具體數(shù)值仍以VC6為例，以后不再說(shuō)明）：
struct S3
{
????char c1;
????S1 s;
????char c2;
};
S1的最寬簡(jiǎn)單成員的類型為int，S3在考慮最寬簡(jiǎn)單類型成員時(shí)是將S1“打散”看的，所以S3的最寬簡(jiǎn)單類型為int。這樣，通過(guò)S3定義的變量，其存儲(chǔ)空間首地址需要被4整除，整個(gè)sizeof(S3)的值也應(yīng)該被4整除。
c1的偏移量為0，s的偏移量呢？這時(shí)s是一個(gè)整體，它作為結(jié)構(gòu)體變量也滿足前面三個(gè)準(zhǔn)則，所以其大小為8，偏移量為4，c1與s之間便需要3個(gè)填充字節(jié)，而c2與s之間就不需要了，所以c2的偏移量為12，算上c2的大小為13，13是不能被4整除的，這樣末尾還得補(bǔ)上3個(gè)填充字節(jié)。最后得到sizeof(S3)的值為16。
??? 通過(guò)上面的敘述，我們可以得到一個(gè)公式：
??? 結(jié)構(gòu)體的大小等于最后一個(gè)成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節(jié)數(shù)目，即：
sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )
?
10.類的sizeof
?
類的sizeof值等于類中成員變量所占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。如：
****************************************************************
?
class A
{
?public:
???? int b;
???? float c;
???? char d;
};
int main(void)
{
? A object;
? cout << "sizeof(object) is " << sizeof(object) << endl;
? return 0 ;
}
?
***************************************************************