C++ sizeof 使用规则及陷阱分析

2019-11-17 05:31:10

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供稿：网友

1、什么是sizeof

　　首先看一下sizeof在msdn上的定义：

　　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.

　　看到return这个字眼，是不是想到了函数？错了，sizeof不是一个函数，你见过给一个函数传参数，而不加括号的吗？sizeof可以，所以sizeof不是函数。网上有人说sizeof是一元操作符，但是我并不这么认为，因为sizeof更像一个非凡的宏，它是在编译阶段求值的。举个例子：

cout<<sizeof(int)<<endl; // 32位机上int长度为4
cout<<sizeof(1==2)<<endl; // == 操作符返回bool类型，相当于 cout<<sizeof(bool)<<endl;
　　在编译阶段已经被翻译为：

cout<<4<<endl;
cout<<1<<endl;
　　这里有个陷阱，看下面的程序：

int a = 0;
cout<<sizeof(a=3)<<endl;
cout<<a<<endl;
　　输出为什么是4，0而不是期望中的4，3？？？就在于sizeof在编译阶段处理的特性。由于sizeof不能被编译成机器码，所以sizeof作用范围内，也就是()里面的内容也不能被编译，而是被替换成类型。=操作符返回左操作数的类型，所以a=3相当于int，而代码也被替换为：

int a = 0;
cout<<4<<endl;
cout<<a<<endl;
　　所以，sizeof是不可能支持链式表达式的，这也是和一元操作符不一样的地方。

　　结论：不要把sizeof当成函数，也不要看作一元操作符，把他当成一个非凡的编译预处理。

　　2、sizeof的用法

　　sizeof有两种用法：

　　（1）sizeof(object)

　　也就是对对象使用sizeof，也可以写成sizeof object 的形式。

　　（2）sizeof(typename)

　　也就是对类型使用sizeof，注重这种情况下写成sizeof typename是非法的。下面举几个例子说明一下：

int i = 2;
cout<<sizeof(i)<<endl; // sizeof(object)的用法，合理
cout<<sizeof i<<endl; // sizeof object的用法，合理
cout<<sizeof 2<<endl; // 2被解析成int类型的object, sizeof object的用法，合理
cout<<sizeof(2)<<endl; // 2被解析成int类型的object, sizeof(object)的用法，合理
cout<<sizeof(int)<<endl;// sizeof(typename)的用法，合理
cout<<sizeof int<<endl; // 错误！对于操作符，一定要加()
　　可以看出，加()是永远正确的选择。

　　结论：不论sizeof要对谁取值，最好都加上()。

　　3、数据类型的sizeof

　　（1）C++固有数据类型

　　32位C++中的基本数据类型，也就char,short int(short),int,long int(long),float,double, long double

　　大小分别是：1，2，4，4，4，8, 10。

　　考虑下面的代码：

cout<<sizeof(unsigned int) == sizeof(int)<<endl; // 相等，输出 1
　　unsigned影响的只是最高位bit的意义，数据长度不会被改变的。

　　结论：unsigned不能影响sizeof的取值。

　　（2）自定义数据类型

　　typedef可以用来定义C++自定义类型。考虑下面的问题：

typedef short WORD;
typedef long DWORD;
cout<<(sizeof(short) == sizeof(WORD))<<endl; // 相等，输出1
cout<<(sizeof(long) == sizeof(DWORD))<<endl; // 相等，输出1
　　结论：自定义类型的sizeof取值等同于它的类型原形。

　　（3）函数类型

　　考虑下面的问题：

int f1(){return 0;};
double f2(){return 0.0;}
void f3(){}

cout<<sizeof(f1())<<endl; // f1()返回值为int，因此被认为是int
cout<<sizeof(f2())<<endl; // f2()返回值为double，因此被认为是double
cout<<sizeof(f3())<<endl; // 错误！无法对void类型使用sizeof
cout<<sizeof(f1)<<endl; // 错误！无法对函数指针使用sizeof
cout<<sizeof*f2<<endl; // *f2，和f2()等价，因为可以看作object，所以括号不是必要的。被认为是double
　　结论：对函数使用sizeof，在编译阶段会被函数返回值的类型取代，

　　4、指针问题

　　考虑下面问题：

cout<<sizeof(string*)<<endl; // 4
cout<<sizeof(int*)<<endl; // 4
cout<<sizof(char****)<<endl; // 4
　　可以看到，不管是什么类型的指针，大小都是4的，因为指针就是32位的物理地址。

　　结论：只要是指针，大小就是4。（64位机上要变成8也不一定）。

　　顺便唧唧歪歪几句，C++中的指针表示实际内存的地址。和C不一样的是，C++中取消了模式之分，也就是不再有small,middle,big,取而代之的是统一的flat。flat模式采用32位实地址寻址，而不再是c中的 segment:offset模式。举个例子，假如有一个指向地址 f000:8888的指针，假如是C类型则是8888(16位, 只存储位移，省略段)，far类型的C指针是f0008888(32位，高位保留段地址，地位保留位移),C++类型的指针是f8888(32位，相当于段地址*16 + 位移，但寻址范围要更大)。

　　5、数组问题

　　考虑下面问题：

char a[] = "abcdef";
int b[20] = {3, 4};
char c[2][3] = {"aa", "bb"};

cout<<sizeof(a)<<endl; // 7
cout<<sizeof(b)<<endl; // 20*4
cout<<sizeof(c)<<endl; // 6
　　数组a的大小在定义时未指定，编译时给它分配的空间是按照初始化的值确定的，也就是7。c是多维数组，占用的空间大小是各维数的乘积，也就是6。可以看出，数组的大小就是他在编译时被分配的空间，也就是各维数的乘积*数组元素的大小。

　　结论：数组的大小是各维数的乘积*数组元素的大小。

　　这里有一个陷阱：

int *d = new int[10];
cout<<sizeof(d)<<endl; // 4
　　d是我们常说的动态数组，但是他实质上还是一个指针，所以sizeof(d)的值是4。

　　再考虑下面的问题：

double* (*a)[3][6];
cout<<sizeof(a)<<endl; // 4
cout<<sizeof(*a)<<endl; // 72
cout<<sizeof(**a)<<endl; // 24
cout<<sizeof(***a)<<endl; // 4
cout<<sizeof(****a)<<endl; // 8
　　a是一个很希奇的定义，他表示一个指向 double*[3][6]类型数组的指针。既然是指针，所以sizeof(a)就是4。

　　既然a是执行double*[3][6]类型的指针，*a就表示一个double*[3][6]的多维数组类型，因此sizeof(*a)=3*6*sizeof(double*)=72。同样的，**a表示一个double*[6]类型的数组，所以sizeof(**a)=6*sizeof(double*)=24。***a就表示其中的一个元素，也就是double*了，所以sizeof(***a)=4。至于****a，就是一个double了，所以sizeof(****a)=sizeof(double)=8。 6、向函数传递数组的问题

　　考虑下面的问题：

#include <iostream>
using namespace std;

int Sum(int i[])
{
　int sumofi = 0;
　for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++) //实际上，sizeof(i) = 4
　{
　　sumofi += i[j];
　}
　return sumofi;
}

int main()
{
　int allAges[6] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
　cout<<Sum(allAges)<<endl;
　system("pause");
　return 0;
}
　　Sum的本意是用sizeof得到数组的大小，然后求和。但是实际上，传入自函数Sum的，只是一个int 类型的指针，所以sizeof(i)=4，而不是24，所以会产生错误的结果。解决这个问题的方法使是用指针或者引用。

　　使用指针的情况：

int Sum(int (*i)[6])
{
　int sumofi = 0;
　for (int j = 0; j < sizeof(*i)/sizeof(int); j++) //sizeof(*i) = 24
　{
　　sumofi += (*i)[j];
　}
　return sumofi;
}

int main()
{
　int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
　cout<<Sum(&allAges)<<endl;
　system("pause");
　return 0;
}
　　在这个Sum里，i是一个指向i[6]类型的指针，注重，这里不能用int Sum(int (*i)[])声明函数，而是必须指明要传入的数组的大小，不然sizeof(*i)无法计算。但是在这种情况下，再通过sizeof来计算数组大小已经没有意义了，因为此时大小是指定为6的。

　　使用引用的情况和指针相似：

int Sum(int (&i)[6])
{
　int sumofi = 0;
　for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++)
　{
　　sumofi += i[j];
　}
　return sumofi;
}

int main()
{
　int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
　cout<<Sum(allAges)<<endl;
　system("pause");
　return 0;
}
　　这种情况下sizeof的计算同样无意义，所以用数组做参数，而且需要遍历的时候，函数应该有一个参数来说明数组的大小，而数组的大小在数组定义的作用域内通过sizeof求值。因此上面的函数正确形式应该是：

#include <iostream>
using namespace std;

int Sum(int *i, unsigned int n)
{
　int sumofi = 0;
　for (int j = 0; j < n; j++)
　{
　　sumofi += i[j];
　}
　return sumofi;
}

int main()
{
　int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
　cout<<Sum(i, sizeof(allAges)/sizeof(int))<<endl;
　system("pause");
　return 0;
}
　　7、字符串的sizeof和strlen

　　考虑下面的问题：

char a[] = "abcdef";
char b[20] = "abcdef";
string s = "abcdef";

cout<<strlen(a)<<endl; // 6，字符串长度
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7，字符串容量
cout<<strlen(b)<<endl; // 6，字符串长度
cout<<strlen(b)<<endl; // 20，字符串容量
cout<<sizeof(s)<<endl; // 12, 这里不代表字符串的长度，而是string类的大小
cout<<strlen(s)<<endl; // 错误！s不是一个字符指针。

a[1] = '/0';
cout<<strlen(a)<<endl; // 1
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7，sizeof是恒定的
　　strlen是寻找从指定地址开始，到出现的第一个0之间的字符个数，他是在运行阶段执行的，而sizeof是得到数据的大小，在这里是得到字符串的容量。所以对同一个对象而言，sizeof的值是恒定的。string是C++类型的字符串，他是一个类，所以sizeof(s)表示的并不是字符串的长度，而是类string的大小。strlen(s)根本就是错误的，因为strlen的参数是一个字符指针，假如想用strlen得到s字符串的长度，应该使用sizeof(s.c_str())，因为string的成员函数c_str()返回的是字符串的首地址。实际上，string类提供了自己的成员函数来得到字符串的容量和长度，分别是Capacity()和Length()。string封装了常用了字符串操作，所以在C++开发过程中，最好使用string代替C类型的字符串。

　　我注：关于sizeof(string)，似乎不同的实现返回的结果不一样：

DevCPP：4
VS2005：32 8、从union的sizeof问题看cpu的对界

　　考虑下面问题：（默认对齐方式）

union u
{
　double a;
　int b;
};

union u2
{
　char a[13];
　int b;
};

union u3
{
　char a[13];
　char b;
};

cout<<sizeof(u)<<endl; // 8
cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16
cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13
　　都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而u2是16呢？要害在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。

　　结论：复合数据类型，如union，strUCt，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。

　　顺便提一下CPU对界问题，32的C++采用8位对界来提高运行速度，所以编译器会尽量把数据放在它的对界上以提高内存命中率。对界是可以更改的，使用#PRagma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式，默认是8。C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。例如，指定编译器按2对界，int类型的大小是4，则int的对界为2和4中较小的2。在默认的对界方式下，因为几乎所有的数据类型都不大于默认的对界方式8（除了long double），所以所有的固有类型的对界方式可以认为就是类型自身的大小。更改一下上面的程序：

#pragma pack(2)
union u2
{
　char a[13];
　int b;
};

union u3
{
　char a[13];
　char b;
};
#pragma pack(8)

cout<<sizeof(u2)<<endl; // 14
cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13
　　由于手动更改对界方式为2，所以int的对界也变成了2，u2的对界取成员中最大的对界，也是2了，所以此时sizeof(u2)=14。

　　结论：C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。

　　9、struct的sizeof问题

　　因为对齐问题使结构体的sizeof变得比较复杂，看下面的例子：(默认对齐方式下)

struct s1
{
　char a;
　double b;
　int c;
　char d;
};

struct s2
{
　char a;
　char b;
　int c;
　double d;
};

cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24
cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16
　　同样是两个char类型，一个int类型，一个double类型，但是因为对界问题，导致他们的大小不同。计算结构体大小可以采用元素摆放法，我举例子说明一下：首先，CPU判定结构体的对界，根据上一节的结论，s1和s2的对界都取最大的元素类型，也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元素。

　　对于s1，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲的地址是1，但是下一个元素d是double类型，要放到8的对界上，离1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此时下一个空闲地址变成了16，下一个元素c的对界是4，16可以满足，所以c放在了16，此时下一个空闲地址变成了20，下一个元素d需要对界1，也正好落在对界上，所以d放在了20，结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数，所以21-23的空间被保留，s1的大小变成了24。

　　对于s2，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲地址是1，下一个元素的对界也是1，所以b摆放在1，下一个空闲地址变成了2；下一个元素c的对界是4，所以取离2最近的地址4摆放c，下一个空闲地址变成了8，下一个元素d的对界是8，所以d摆放在8，所有元素摆放完毕，结构体在15处结束，占用总空间为16，正好是8的倍数。

　　这里有个陷阱，对于结构体中的结构体成员，不要认为它的对齐方式就是他的大小，看下面的例子：

struct s1
{
　char a[8];
};

struct s2
{
　double d;
};

struct s3
{
　s1 s;
　char a;
};

struct s4
{
　s2 s;
　char a;
};

cout<<sizeof(s1)<<endl; // 8
cout<<sizeof(s2)<<endl; // 8
cout<<sizeof(s3)<<endl; // 9
cout<<sizeof(s4)<<endl; // 16;
　　s1和s2大小虽然都是8，但是s1的对齐方式是1，s2是8（double），所以在s3和s4中才有这样的差异。

　　所以，在自己定义结构体的时候，假如空间紧张的话，最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。

　　10、不要让double干扰你的位域

　　在结构体和类中，可以使用位域来规定某个成员所能占用的空间，所以使用位域能在一定程度上节省结构体占用的空间。不过考虑下面的代码：

struct s1
{
　int i: 8;
　int j: 4;
　double b;
　int a:3;
};

struct s2
{
　int i;
　int j;
　double b;
　int a;
};

struct s3
{
　int i;
　int j;
　int a;
　double b;
};

struct s4
{
　int i: 8;
　int j: 4;
　int a:3;
　double b;
};

cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24
cout<<sizeof(s2)<<endl; // 24
cout<<sizeof(s3)<<endl; // 24
cout<<sizeof(s4)<<endl; // 16
　　可以看到，有double存在会干涉到位域（sizeof的算法参考上一节），所以使用位域的的时候，最好把float类型和double类型放在程序的开始或者最后。

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