C++ sizeof 使用規則及陷阱分析

2019-11-17 05:31:10

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1、什么是sizeof

　　首先看一下sizeof在msdn上的定義：

　　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這個字眼，是不是想到了函數？錯了，sizeof不是一個函數，你見過給一個函數傳參數，而不加括號的嗎？sizeof可以，所以sizeof不是函數。網上有人說sizeof是一元操作符，但是我并不這么認為，因為sizeof更像一個非凡的宏，它是在編譯階段求值的。舉個例子：

cout<<sizeof(int)<<endl; // 32位機上int長度為4
cout<<sizeof(1==2)<<endl; // == 操作符返回bool類型，相當于 cout<<sizeof(bool)<<endl;
　　在編譯階段已經被翻譯為：

cout<<4<<endl;
cout<<1<<endl;
　　這里有個陷阱，看下面的程序：

int a = 0;
cout<<sizeof(a=3)<<endl;
cout<<a<<endl;
　　輸出為什么是4，0而不是期望中的4，3？？？就在于sizeof在編譯階段處理的特性。由于sizeof不能被編譯成機器碼，所以sizeof作用范圍內，也就是()里面的內容也不能被編譯，而是被替換成類型。=操作符返回左操作數的類型，所以a=3相當于int，而代碼也被替換為：

int a = 0;
cout<<4<<endl;
cout<<a<<endl;
　　所以，sizeof是不可能支持鏈式表達式的，這也是和一元操作符不一樣的地方。

　　結論：不要把sizeof當成函數，也不要看作一元操作符，把他當成一個非凡的編譯預處理。

　　2、sizeof的用法

　　sizeof有兩種用法：

　?。?）sizeof(object)

　　也就是對對象使用sizeof，也可以寫成sizeof object 的形式。

　　（2）sizeof(typename)

　　也就是對類型使用sizeof，注重這種情況下寫成sizeof typename是非法的。下面舉幾個例子說明一下：

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類型的object, sizeof object的用法，合理
cout<<sizeof(2)<<endl; // 2被解析成int類型的object, sizeof(object)的用法，合理
cout<<sizeof(int)<<endl;// sizeof(typename)的用法，合理
cout<<sizeof int<<endl; // 錯誤！對于操作符，一定要加()
　　可以看出，加()是永遠正確的選擇。

　　結論：不論sizeof要對誰取值，最好都加上()。

　　3、數據類型的sizeof

　?。?）C++固有數據類型

　　32位C++中的基本數據類型，也就char,short int(short),int,long int(long),float,double, long double

　　大小分別是：1，2，4，4，4，8, 10。

　　考慮下面的代碼：

cout<<sizeof(unsigned int) == sizeof(int)<<endl; // 相等，輸出 1
　　unsigned影響的只是最高位bit的意義，數據長度不會被改變的。

　　結論：unsigned不能影響sizeof的取值。

　?。?）自定義數據類型

　　typedef可以用來定義C++自定義類型。考慮下面的問題：

typedef short WORD;
typedef long DWORD;
cout<<(sizeof(short) == sizeof(WORD))<<endl; // 相等，輸出1
cout<<(sizeof(long) == sizeof(DWORD))<<endl; // 相等，輸出1
　　結論：自定義類型的sizeof取值等同于它的類型原形。

　　（3）函數類型

　　考慮下面的問題：

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

cout<<sizeof(f1())<<endl; // f1()返回值為int，因此被認為是int
cout<<sizeof(f2())<<endl; // f2()返回值為double，因此被認為是double
cout<<sizeof(f3())<<endl; // 錯誤！無法對void類型使用sizeof
cout<<sizeof(f1)<<endl; // 錯誤！無法對函數指針使用sizeof
cout<<sizeof*f2<<endl; // *f2，和f2()等價，因為可以看作object，所以括號不是必要的。被認為是double
　　結論：對函數使用sizeof，在編譯階段會被函數返回值的類型取代，

　　4、指針問題

　　考慮下面問題：

cout<<sizeof(string*)<<endl; // 4
cout<<sizeof(int*)<<endl; // 4
cout<<sizof(char****)<<endl; // 4
　　可以看到，不管是什么類型的指針，大小都是4的，因為指針就是32位的物理地址。

　　結論：只要是指針，大小就是4。（64位機上要變成8也不一定）。

　　順便唧唧歪歪幾句，C++中的指針表示實際內存的地址。和C不一樣的是，C++中取消了模式之分，也就是不再有small,middle,big,取而代之的是統一的flat。flat模式采用32位實地址尋址，而不再是c中的 segment:offset模式。舉個例子，假如有一個指向地址 f000:8888的指針，假如是C類型則是8888(16位, 只存儲位移，省略段)，far類型的C指針是f0008888(32位，高位保留段地址，地位保留位移),C++類型的指針是f8888(32位，相當于段地址*16 + 位移，但尋址范圍要更大)。

　　5、數組問題

　　考慮下面問題：

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
　　數組a的大小在定義時未指定，編譯時給它分配的空間是按照初始化的值確定的，也就是7。c是多維數組，占用的空間大小是各維數的乘積，也就是6?？梢钥闯?，數組的大小就是他在編譯時被分配的空間，也就是各維數的乘積*數組元素的大小。

　　結論：數組的大小是各維數的乘積*數組元素的大小。

　　這里有一個陷阱：

int *d = new int[10];
cout<<sizeof(d)<<endl; // 4
　　d是我們常說的動態數組，但是他實質上還是一個指針，所以sizeof(d)的值是4。

　　再考慮下面的問題：

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是一個很希奇的定義，他表示一個指向 double*[3][6]類型數組的指針。既然是指針，所以sizeof(a)就是4。

　　既然a是執行double*[3][6]類型的指針，*a就表示一個double*[3][6]的多維數組類型，因此sizeof(*a)=3*6*sizeof(double*)=72。同樣的，**a表示一個double*[6]類型的數組，所以sizeof(**a)=6*sizeof(double*)=24。***a就表示其中的一個元素，也就是double*了，所以sizeof(***a)=4。至于****a，就是一個double了，所以sizeof(****a)=sizeof(double)=8。 6、向函數傳遞數組的問題

　　考慮下面的問題：

#include <iostream>
using namespace std;

int Sum(int i[])
{
　int sumofi = 0;
　for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++) //實際上，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得到數組的大小，然后求和。但是實際上，傳入自函數Sum的，只是一個int 類型的指針，所以sizeof(i)=4，而不是24，所以會產生錯誤的結果。解決這個問題的方法使是用指針或者引用。

　　使用指針的情況：

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;
}
　　在這個Sum里，i是一個指向i[6]類型的指針，注重，這里不能用int Sum(int (*i)[])聲明函數，而是必須指明要傳入的數組的大小，不然sizeof(*i)無法計算。但是在這種情況下，再通過sizeof來計算數組大小已經沒有意義了，因為此時大小是指定為6的。

　　使用引用的情況和指針相似：

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;
}
　　這種情況下sizeof的計算同樣無意義，所以用數組做參數，而且需要遍歷的時候，函數應該有一個參數來說明數組的大小，而數組的大小在數組定義的作用域內通過sizeof求值。因此上面的函數正確形式應該是：

#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

　　考慮下面的問題：

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

cout<<strlen(a)<<endl; // 6，字符串長度
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7，字符串容量
cout<<strlen(b)<<endl; // 6，字符串長度
cout<<strlen(b)<<endl; // 20，字符串容量
cout<<sizeof(s)<<endl; // 12, 這里不代表字符串的長度，而是string類的大小
cout<<strlen(s)<<endl; // 錯誤！s不是一個字符指針。

a[1] = '/0';
cout<<strlen(a)<<endl; // 1
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7，sizeof是恒定的
　　strlen是尋找從指定地址開始，到出現的第一個0之間的字符個數，他是在運行階段執行的，而sizeof是得到數據的大小，在這里是得到字符串的容量。所以對同一個對象而言，sizeof的值是恒定的。string是C++類型的字符串，他是一個類，所以sizeof(s)表示的并不是字符串的長度，而是類string的大小。strlen(s)根本就是錯誤的，因為strlen的參數是一個字符指針，假如想用strlen得到s字符串的長度，應該使用sizeof(s.c_str())，因為string的成員函數c_str()返回的是字符串的首地址。實際上，string類提供了自己的成員函數來得到字符串的容量和長度，分別是Capacity()和Length()。string封裝了常用了字符串操作，所以在C++開發過程中，最好使用string代替C類型的字符串。

　　我注：關于sizeof(string)，似乎不同的實現返回的結果不一樣：

DevCPP：4
VS2005：32 8、從union的sizeof問題看cpu的對界

　　考慮下面問題：（默認對齊方式）

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的大小取決于它所有的成員中，占用空間最大的一個成員的大小。所以對于u來說，大小就是最大的double類型成員a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是對于u2和u3，最大的空間都是char[13]類型的數組，為什么u3的大小是13，而u2是16呢？要害在于u2中的成員int b。由于int類型成員的存在，使u2的對齊方式變成4，也就是說，u2的大小必須在4的對界上，所以占用的空間變成了16（最接近13的對界）。

　　結論：復合數據類型，如union，strUCt，class的對齊方式為成員中對齊方式最大的成員的對齊方式。

　　順便提一下CPU對界問題，32的C++采用8位對界來提高運行速度，所以編譯器會盡量把數據放在它的對界上以提高內存命中率。對界是可以更改的，使用#PRagma pack(x)宏可以改變編譯器的對界方式，默認是8。C++固有類型的對界取編譯器對界方式與自身大小中較小的一個。例如，指定編譯器按2對界，int類型的大小是4，則int的對界為2和4中較小的2。在默認的對界方式下，因為幾乎所有的數據類型都不大于默認的對界方式8（除了long double），所以所有的固有類型的對界方式可以認為就是類型自身的大小。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
　　由于手動更改對界方式為2，所以int的對界也變成了2，u2的對界取成員中最大的對界，也是2了，所以此時sizeof(u2)=14。

　　結論：C++固有類型的對界取編譯器對界方式與自身大小中較小的一個。

　　9、struct的sizeof問題

　　因為對齊問題使結構體的sizeof變得比較復雜，看下面的例子：(默認對齊方式下)

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
　　同樣是兩個char類型，一個int類型，一個double類型，但是因為對界問題，導致他們的大小不同。計算結構體大小可以采用元素擺放法，我舉例子說明一下：首先，CPU判定結構體的對界，根據上一節的結論，s1和s2的對界都取最大的元素類型，也就是double類型的對界8。然后開始擺放每個元素。

　　對于s1，首先把a放到8的對界，假定是0，此時下一個空閑的地址是1，但是下一個元素d是double類型，要放到8的對界上，離1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此時下一個空閑地址變成了16，下一個元素c的對界是4，16可以滿足，所以c放在了16，此時下一個空閑地址變成了20，下一個元素d需要對界1，也正好落在對界上，所以d放在了20，結構體在地址21處結束。由于s1的大小需要是8的倍數，所以21-23的空間被保留，s1的大小變成了24。

　　對于s2，首先把a放到8的對界，假定是0，此時下一個空閑地址是1，下一個元素的對界也是1，所以b擺放在1，下一個空閑地址變成了2；下一個元素c的對界是4，所以取離2最近的地址4擺放c，下一個空閑地址變成了8，下一個元素d的對界是8，所以d擺放在8，所有元素擺放完畢，結構體在15處結束，占用總空間為16，正好是8的倍數。

　　這里有個陷阱，對于結構體中的結構體成員，不要認為它的對齊方式就是他的大小，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大小雖然都是8，但是s1的對齊方式是1，s2是8（double），所以在s3和s4中才有這樣的差異。

　　所以，在自己定義結構體的時候，假如空間緊張的話，最好考慮對齊因素來排列結構體里的元素。

　　10、不要讓double干擾你的位域

　　在結構體和類中，可以使用位域來規定某個成員所能占用的空間，所以使用位域能在一定程度上節省結構體占用的空間。不過考慮下面的代碼：

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存在會干涉到位域（sizeof的算法參考上一節），所以使用位域的的時候，最好把float類型和double類型放在程序的開始或者最后。

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