?????????????????????????????????????? 關(guān)于 sizeof() 的一些思考?
?????????????????????????????????????????????????????????馬嘉楠
關(guān)鍵詞：
sizeof
這是網(wǎng)上的一個帖子，最初來自那里已經(jīng)記不得了，不過我覺得很不錯。
我對原文做了一些修改，并添加了一些內(nèi)容。如果有什么錯誤的地方，請大家指正，謝謝~~
?????????????????????? --- majianan 2005-12-19
?
0.關(guān)鍵字
：sizeof，字節(jié)對齊，類型大小
前向聲明：
??? sizeof，一個其貌不揚的家伙，引無數(shù)菜鳥竟折腰.
??? 小蝦我當初也沒少犯迷糊，秉著“辛苦我一個，幸福千萬人”的偉大思想,我決定將其盡可能詳細的總結(jié)一下。
??? 但當我總結(jié)的時候才發(fā)現(xiàn)，這個問題既可以簡單，又可以復(fù)雜。所以本文有的地方并不適合初學者，甚至都沒有必要大作文章。但如果你想“知其然，更知其所以然”的話，那么這篇文章對你或許有所幫助。
???
?? ?菜鳥我對C++的掌握尚未深入，其中不乏錯誤，歡迎各位指正啊
1. 定義：
??? sizeof是何方神圣？
??? sizeof 乃 C/C++ 中的一個操作符（operator）是也。簡單說其作用就是返回一個對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，但作為一個規(guī)范，它們都會保證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. 語法：
??? sizeof有三種語法形式，如下：
??? 1) sizeof( object );??? // sizeof( 對象 );
??? 2) sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
??? 3) sizeof object;?????? // sizeof 對象;
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擔，第2種寫法，忘掉它吧！
實際上，sizeof計算對象的大小也是轉(zhuǎn)換成對對象類型的計算。也就是說，同種類型的不同對象其sizeof值都是一致的。
這里，對象可以進一步延伸至表達式，即sizeof可以對一個表達式求值。編譯器根據(jù)表達式的最終結(jié)果類型來確定大小，一般不會對表達式進行計算。
例如：
sizeof( 2 );????????// 2的類型為int，所以等價于 sizeof( int );
sizeof( 2 + 3.14 );?// 3.14的類型為double，2也會被提升成double類型，所以等價于 sizeof( double );
??? sizeof也可以對一個函數(shù)調(diào)用求值，其結(jié)果是函數(shù)返回類型的大小，函數(shù)并不會被調(diào)用。我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() 的返回值類型為char，所以sz = sizeof(char)，但函數(shù)foo()并不會被調(diào)用
????printf("sizeof( foo() ) = %d\n", sz);
}
*********************************************************
C99標準規(guī)定，函數(shù)、不能確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的計算發(fā)生在編譯時刻，所以它可以被當作常量表達式使用。如：
char ary[ sizeof( int ) * 10 ];?? // ok
最新的C99標準規(guī)定sizeof也可以在運行時刻進行計算。如下面的程序在Dev-C++中可以正確執(zhí)行：
int n;
n = 10;??????? // n動態(tài)賦值
char ary[n];?? // C99也支持數(shù)組的動態(tài)定義
printf("%d\n", sizeof(ary)); // ok. 輸出10
但在沒有完全實現(xiàn)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。所以我們最好還是認為sizeof是在編譯期執(zhí)行的，這樣不會帶來錯誤，讓程序的可移植性強些。
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
學過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的你應(yīng)該知道指針是一個很重要的概念，它記錄了另一個對象的地址。既然是來存放地址的，那么它當然等于計算機內(nèi)部地址總線的寬度。所以在32位計算機中，一個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，在將來的64位系統(tǒng)中指針變量的sizeof結(jié)果為8。
*********************************************************
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值與指針所指的對象沒有任何關(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NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結(jié)果為3*4=12（依賴于int）
一些朋友剛開始時把sizeof當作了求數(shù)組元素的個數(shù)，現(xiàn)在，你應(yīng)該知道這是不對的。那么應(yīng)該怎么求數(shù)組元素的個數(shù)呢？
Easy，通常有下面兩種寫法：
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
寫到這里，提一問，下面的c3，c4值應(yīng)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(jīng)意識到c3答錯了，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。相當于char* a3，為什么仔細想想就不難明白。
我們調(diào)用函數(shù)foo1時，程序會在棧上分配一個大小為3的數(shù)組嗎？不會！
數(shù)組是“傳址”的，調(diào)用者只需將實參的地址傳遞過去，所以a3自然為指針類型（char*），c3的值也就為4。
7.string的sizeof
一個string的大小與它所指向的字符串的長度無關(guān)。
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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
*********************************************************
對于不同的STL，String類的結(jié)構(gòu)定義會有所不同
所以不同的工具，例如VC++，和.NET，結(jié)果會有所不同，
在VC++6.0中（我的機器）結(jié)果是16
在.NET2003中結(jié)果是28
但是對于同一個編譯器，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候，返回的是包含被引用對象所需的內(nèi)存長度（即被引用對象的大小）
*********************************************************
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
這是初學者問得最多的一個問題，所以這里有必要多費點筆墨。讓我們先看一個結(jié)構(gòu)體：
struct S1
{
??? char c;
??? int i;
};
問sizeof(s1)等于多少？
聰明的你開始思考了，char占1個字節(jié)，int占4個字節(jié)，那么加起來就應(yīng)該是5。
是這樣嗎？
你在你機器上試過了嗎？
也許你是對的，但很可能你是錯的！
VC6中按默認設(shè)置得到的結(jié)果為8。
??? Why？為什么受傷的總是我？
請不要沮喪，我們來好好琢磨一下sizeof的定義 —— sizeof的結(jié)果等于對象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。好吧，那就讓我們來看看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，運行程序，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個字節(jié)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(jié)對齊啊！一個重要的話題出現(xiàn)了。
為什么需要字節(jié)對齊？
計算機組成原理教導(dǎo)我們，這樣有助于加快計算機的取數(shù)速度，否則就得多花指令周期了。
為此，編譯器默認會對結(jié)構(gòu)體進行處理（實際上其它地方的數(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，兩個數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié)，所以整個結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長了。
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，原來成員c后面仍然有3個填充字節(jié)。
這又是為什么啊？別著急，下面總結(jié)規(guī)律。
??? 字節(jié)對齊的細節(jié)和編譯器實現(xiàn)相關(guān)，但一般而言，滿足三個準則：
??? 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)體每個成員相對于結(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，如有需要編譯器會在最末一個成員之后加上填充字節(jié)（trailing padding）。
??? 對于上面的準則，有幾點需要說明：
1)?前面不是說結(jié)構(gòu)體成員的地址是其大小的整數(shù)倍，怎么又說到偏移量了呢？
因為有了第1點存在，所以我們就可以只考慮成員的偏移量，這樣思考起來簡單。想想為什么。
結(jié)構(gòu)體某個成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量可以通過宏offsetof()來獲得，這個宏也在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，比如另外一個結(jié)構(gòu)體，所以在尋找最寬基本類型成員時，應(yīng)當包括復(fù)合類型成員的子成員，而不是把復(fù)合成員看成是一個整體。但在確定復(fù)合類型成員的偏移位置時則是將復(fù)合類型作為整體看待。
這里敘述起來有點拗口，思考起來也有點撓頭，還是讓我們看看例子吧（具體數(shù)值仍以VC6為例，以后不再說明）：
struct S3
{
????char c1;
????S1 s;
????char c2;
};
S1的最寬簡單成員的類型為int，S3在考慮最寬簡單類型成員時是將S1“打散”看的，所以S3的最寬簡單類型為int。這樣，通過S3定義的變量，其存儲空間首地址需要被4整除，整個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s是一個整體，它作為結(jié)構(gòu)體變量也滿足前面三個準則，所以其大小為8，偏移量為4，c1與s之間便需要3個填充字節(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，這樣末尾還得補上3個填充字節(jié)。最后得到sizeof(S3)的值為16。
??? 通過上面的敘述，我們可以得到一個公式：
??? 結(jié)構(gòu)體的大小等于最后一個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 ;
}
?
***************************************************************