C/C++基礎(chǔ)之sizeof使用

在 C/C++ 中，sizeof() 是一個(gè)判斷數(shù)據(jù)類型或者表達(dá)式長度的運(yùn)算符。

1 sizeof 定義

sizeof 是 C/C++ 中的一個(gè)操作符（operator），返回一個(gè)對(duì)象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。

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.                                                                                              ——來自MSDN

其返回值類型為 size_t ，在頭文件 stddef.h 中定義為: typedef unsigned int size_t;

從sizeof 的定義可以看出：sizeof 不是一個(gè)函數(shù)，因?yàn)楹瘮?shù)調(diào)用必須有一對(duì)括號(hào)。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
   int num = 97;

   printf("sizeof(num = 0)的值:%d\n",sizeof(num = 0));   
   printf("num 的值:%d\n",num);   
   return 0;
}

說明：sizeof 不是標(biāo)準(zhǔn)意義上的一元操作符，不支持鏈?zhǔn)奖磉_(dá)式，sizeof 作用域范圍內(nèi)的語句不會(huì)編譯成機(jī)器碼，如 sizeof（num++） 中的 ++ 不執(zhí)行。sizeof 也不是函數(shù)， sizeof 更像一個(gè)特殊的宏，在編譯階段求值。

2 sizeof 用法

sizeof 有兩種語法形式，如下：

sizeof(type_name);    //sizeof(類型);
sizeof (object);      //或sizeof object 都屬于 sizeof對(duì)象;

所以：

int i;
sizeof(i);    //合理
sizeof i;     //合理
sizeof(int);  //合理
sizeof int;   //不合理

• 對(duì)類型使用 sizeof 時(shí)， sizeof type_name 是非法的，必須寫為 sizeof(type_name);
• 無論是對(duì)對(duì)象還是類型取值， sizeof () 這種形式都是對(duì)的；

1 基本數(shù)據(jù)類型的 sizeof

這里的基本數(shù)據(jù)類型是指short、int、long、float、double這樣的簡單內(nèi)置數(shù)據(jù)類型。

由于它們的內(nèi)存大小是和系統(tǒng)相關(guān)的，所以在不同的系統(tǒng)下取值可能不同。

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
   cout << "Size of char : " << sizeof(char) << endl;
   cout << "Size of int : " << sizeof(int) << endl;
   cout << "Size of short int : " << sizeof(short int) << endl;
   cout << "Size of long int : " << sizeof(long int) << endl;
   cout << "Size of float : " << sizeof(float) << endl;
   cout << "Size of double : " << sizeof(double) << endl;
   cout << "Size of wchar_t : " << sizeof(wchar_t) << endl;
   return 0;
}

在 32 位系統(tǒng)下內(nèi)置數(shù)據(jù)類型與其 sizeof 運(yùn)算結(jié)果如下：

Size of char : 1
Size of int : 4
Size of short int : 2
Size of long int : 4
Size of float : 4
Size of double : 8
Size of wchar_t : 4

• unsigned 不影響內(nèi)置類型 sizeof 的取值

2 指針類型的 sizeof

指針主要用于存儲(chǔ)地址，前幾天文章C語言指針詳解提到過，指針變量的位寬等于機(jī)器字長，機(jī)器字長由 CPU 寄存器位數(shù)決定。在 32 位系統(tǒng)中，一個(gè)指針變量的返回值為 4 字節(jié)， 64 位系統(tǒng)中指針變量的 sizeof 結(jié)果為 8 字節(jié)。

char *p =”hello”; 
sizeof( p );       // 結(jié)果為4 
sizeof(*p);        // 結(jié)果為1 
int *pi; 
sizeof( pi );      //結(jié)果為4 
sizeof(*pi);       //結(jié)果為4 
char **pp = &p; 
sizeof( pp );      // 結(jié)果為4 
sizeof( *pp );     // 結(jié)果為4 

• 指針變量的 sizeof 值與指針?biāo)傅膶?duì)象類型沒有任何關(guān)系，與指針申請(qǐng)多少空間沒有關(guān)系，所有的指針變量所占內(nèi)存大小均相等。
• 如果使用 32 位編譯器編譯得到程序是 32 位，那么在 64bits 系統(tǒng)下，指針變量大小仍然是 4 個(gè)字節(jié)。

3 函數(shù)類型的 sizeof

函數(shù)類型以其返回類型作為自身類型，進(jìn)行 sizeof 取值。

void fun1()
{
}
int fun2()
{
   return 0;
}
double fun3()
{
   return 0.0;
}
cout << sizeof(fun1()) << endl;  //錯(cuò)誤！無法對(duì)void類型使用sizeof
cout << sizeof(fun2()) << endl;  //fun2()返回值類型為int，輸出4
cout << sizeof(fun3()) << endl;  //fun3()返回值類型為double，輸出8

• 注意：不能對(duì)返回 void 函數(shù)和函數(shù)指針進(jìn)行 sizeof 取值。

4 數(shù)組類型的 sizeof

當(dāng) sizeof 作用于數(shù)組時(shí)，求取的是數(shù)組所有元素所占用的大小。

    int A[3][5];
    char c[]="abcdef";
    double*(*d)[3][6];

    cout<<sizeof(A)<<endl;      //輸出60
    cout<<sizeof(A[4])<<endl;   //輸出20
    cout<<sizeof(A[0][0])<<endl;//輸出4
    cout<<sizeof(c)<<endl;      //輸出7
    cout<<sizeof(d)<<endl;      //輸出4
    cout<<sizeof(*d)<<endl;     //輸出72
    cout<<sizeof(**d)<<endl;    //輸出24
    cout<<sizeof(***d)<<endl;   //輸出4
    cout<<sizeof(****d)<<endl;  //輸出8

A 的數(shù)據(jù)類型是 int[3][5] ，A[4] 的數(shù)據(jù)類型是 int[5]，A[0][0]數(shù)據(jù)類型是 int 。所以：

sizeof（A）==sizeof(int[3][5])==3*5*sizeof(int)==60
sizeof(A[4])==sizeof(int[5])=5*sizeof(int)==20
sizeof(A[0][0])==sizeof(int)==4

如果字符數(shù)組表示字符串，數(shù)組末自動(dòng)插入 '\0'，所以 c 的數(shù)據(jù)類型是 char[7] ，所以 sizeof(c)=sizeof(char[7])==7。

d 是一個(gè)很奇怪的定義，他表示一個(gè)指向 double*[3][6] 類型數(shù)組的指針。既然是指針，所以 sizeof(d) 就是4。

既然 d 是執(zhí)行 double*[3][6] 類型的指針， *d 就表示一個(gè) double*[3][6] 的多維數(shù)組類型，因此 sizeof(*a)=3*6*sizeof(double*)=72 。

**d 表示一個(gè) double*[6] 類型的數(shù)組，所以 sizeof(**d)=6*sizeof (double*)=24。

***d 表示其中的一個(gè)元素，也就是 double* ，所以 sizeof(***d)=4 。

****d 是一個(gè) double ，所以 sizeof(****d)=sizeof(double)=8。

當(dāng)數(shù)組作為函數(shù)形參時(shí)，下面輸出結(jié)果應(yīng)該是多少呢？

int GetStrLength(char str[])
{
   return sizeof(str);
}

int main()
{
   char szStr[] = "abcdef";
   cout<< GetStrLength() << endl;
   return 0;
}

輸出不是 7 ，這里函數(shù)參數(shù) str[] 已不再是數(shù)組類型，而是蛻變成指針，我們調(diào)用函數(shù) GetStrLength() 時(shí)，程序會(huì)在棧上分配一個(gè)大小為 7 的數(shù)組嗎？不會(huì)！數(shù)組是“傳址”的，調(diào)用者只需將實(shí)參的地址傳遞過去，所以 str 自然為指針類型 （char*） ，輸出值為：4 。

• 數(shù)組的大小是各維數(shù)的乘積*數(shù)組元素的大小。
• 向函數(shù)形參傳遞數(shù)組，數(shù)組將會(huì)退化為指針，失去原來數(shù)組的特性。

4 結(jié)構(gòu)體類型的 sizeof

對(duì)于 struct 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由 CPU 的對(duì)齊問題導(dǎo)致 struct 的大小變得比較復(fù)雜。具體可以查看以前的文章一文輕松理解內(nèi)存對(duì)齊。

理論上，int 占 4byte ， char 占一個(gè) byte ，那么將它們放到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中應(yīng)該占 4+1=5byte ；但是實(shí)際上，通過運(yùn)行程序得到的結(jié)果是 8byte 。

#include<stdio.h>

struct{
    int x;
    char y;
}Test;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(Test)); // 輸出8不是5
    return 0;
}

結(jié)構(gòu)體的大小跟結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊有密切關(guān)系，而并非簡單地等于各個(gè)成員的大小之和！比如對(duì)如下結(jié)構(gòu)體兩個(gè)結(jié)構(gòu)體 A、B 使用 sizeof 的結(jié)果分別是：16,24?？梢钥闯?sizeof(B) 并不等于 sizeof(int)+sizeof(double)+sizeof(int)=16 。

struct A
{
  int num1;
  int num2;
  double num3;
};
struct B
{
  int num1;
  double num3;
  int num2;
};

結(jié)構(gòu)體A和B中包含的成員都一樣，只不過順序不同而已，為什么其大小不一樣呢？要解釋這個(gè)問題，就要了解結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊的規(guī)則。

• 結(jié)構(gòu)體的大小等于結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大成員大小的整數(shù)倍
• 結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員的首地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量是其類型大小的整數(shù)倍，比如說 double 型成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體的首地址的地址偏移量應(yīng)該是 8 的倍數(shù)。
• 為了滿足規(guī)則 1 和 2 編譯器會(huì)在結(jié)構(gòu)體成員之后進(jìn)行字節(jié)填充！

從三個(gè)規(guī)則我們來看看為什么 sizeof(B) 等于 24 ：首先假設(shè)結(jié)構(gòu)體的首地址為0，第一個(gè)成員 num1 的首地址是 0 (滿足規(guī)則2)，它的類型是 int ，因此它占用地址空間 0——3 。第二個(gè)成員 num3 是 double 類型，它占用 8 個(gè)字節(jié)，由于之前的 num1 只占用了 4 個(gè)字節(jié)，為了滿足規(guī)則 2 ，需要使用規(guī)則 3 在 num1 后面填充 4 個(gè)字節(jié)（4——7），使得 num3 的起始地址偏移量為 8 ，因此 num3 占用的地址空間是：8——15。第三個(gè)成員 num2 是 int 型，其大小為 4 ，由于 num1 和num3 一共占用了 16 個(gè)字節(jié)，此時(shí)無須任何填充就能滿足規(guī)則 2。因此 num2 占用的地址空間是 16——19 。那么是不是結(jié)構(gòu)體的總大小就是 0——19 共 20 個(gè)字節(jié)呢？請(qǐng)注意，別忘了規(guī)則1！由于結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大成員是 double 占用 8 個(gè)字節(jié)，因此最后還需要在 num2 后面填充 4 個(gè)字節(jié)，使得結(jié)構(gòu)體總體大小為 24 。

struct S{ }; 
sizeof(S); // 結(jié)果為1

• 對(duì)于一個(gè)空 struct 結(jié)構(gòu)體取 sizeof 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為 1 并非 0 。因?yàn)榫幾g器為保證此空 struct 存在，專門分配一個(gè)字節(jié)。
• 如果存在結(jié)構(gòu)體嵌套，無論內(nèi)層還是外層均需要采用內(nèi)存對(duì)齊。

5 類的 sizeof

1. 不含繼承和 static 成員變量的類。

在這種情況下，只需要考慮對(duì)齊方式即可。

class A 
{ 
  public: 
  int b; 
  float c; 
  char d; 
};
class B
{ 
};

int main(void) 
{ 
  cout << “sizeof(A) is ” << sizeof(A) << endl; 
  //輸出結(jié)果為12
  cout << “sizeof(B) is ” << sizeof(B) << endl; 
  //輸出結(jié)果為1
  return 0 ; 
}

• 空的 class 同樣也占用 1 個(gè)字節(jié)。
• 計(jì)算類對(duì)象的大小時(shí)，類成員函數(shù)不占用對(duì)象空間，只需要考慮類中數(shù)據(jù)成員的大小。

2. 類中存在靜態(tài)成員變量

class A 
{ 
  public: 
  static int a; 
  int b; 
  float c; 
  char d; 
};

int main() 
{ 
  A object; 
  cout << “sizeof(object) is ” << sizeof(object) << endl; 
  //輸出結(jié)果為12
  return 0 ; 
}

因?yàn)樵诔绦蚓幾g期間，就已經(jīng)為 static 變量在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配了內(nèi)存空間，并且這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。而每次聲明了類 A 的一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，為該對(duì)象在堆上，根據(jù)對(duì)象的大小分配內(nèi)存。

3. 類中包含成員函數(shù)

class A 
{ 
  public: 
  static int a; 
  int b; 
  float c; 
  char d; 
  int add(int x,int y) 
  { 
    return x+y; 
  } 
};

int main() 
{ 
  A object; 
  cout << “sizeof(object) is ” << sizeof(object) << endl; 
  b = object.add(3,4); 
  cout << “sizeof(object) is ” << sizeof(object) << endl; 
  //輸出結(jié)果為12
  return 0 ; 
}

因?yàn)橹挥蟹庆o態(tài)類成員變量在新生成一個(gè)object的時(shí)候才需要自己的副本。所以每個(gè)非靜態(tài)成員變量在生成新object需要內(nèi)存，而function是不需要的。

3 sizeof 與 strlen 區(qū)別

• sizeof 是一個(gè)操作符， strlen 是庫函數(shù)。
• sizeof 的參數(shù)可以是數(shù)據(jù)的類型，也可以是變量，而 strlen 只能以結(jié)尾
• 編譯器在編譯時(shí)就計(jì)算出了 sizeof 的結(jié)果，而 strlen 函數(shù)必須在運(yùn)行時(shí)才能計(jì)算出來。并且 sizeof 計(jì)算的是數(shù)據(jù)類型占內(nèi)存的大小，而 strlen 計(jì)算的是字符串實(shí)際的長度。
• 數(shù)組做 sizeof 的參數(shù)不退化，傳遞給 strlen 就退化為指針了。如：

 int ss[20]="0123456789";
 sizeof(ss)=80, //ss表示在內(nèi)存中的大小，20*4。
 strlen(ss)    //錯(cuò)誤，strlen的參數(shù)只能是char*，且必須是以“\0”結(jié)尾的。
 char *ss="0123456789";
 sizeof(ss)=4,  //ss是指向字符串常量的字符指針。
 sizeof（*ss）=1, // *ss是第一個(gè)字符。
 

參考資料

1. https://www.cnblogs.com/Western-Trail/p/10326180.html
2. 《C/C++實(shí)踐進(jìn)階之道》