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sizeof详解

C/C++
C/C++ Code 内存
Mar 6, 2016

sizeof 操作符的作用是返回一个对象或类型名的长度， 返回类型是size_t，长度单位是字节。

语法

sizeof的语法主要有三种形式。

sizeof(type_name);
sizeof(expression);
sizeof expression;

其中表示了获取类型变量的内存长度或获取一个具体对象的长度。最常用的方式还是前两种，最后一种方式见的比较少。 需要注意的是，sizeof本质是一个操作符，所以会有sizeof expr形式的语法，但该格式只针对于expression，不能用于类型名。 sizeof、.(成员访问符)、.*(成员指针访问运算符)、::(域运算符)以及?:(条件运算符)这5种运算符不能够被重载。 其中.和.*不能被重载是为了保证访问成员的功能不被改变，而::与sizeof则是其运算对象是类型而不是变量或一般表达式，不具备重载的特征。

使用范围

sizeof的计算一般发生在编译时，也就是说在程序编译的时候就可以计算出sizeof的大小。 所以可以将之看为常量表达式，如：

char array[sizeof(int) * 10];//Ok

不过C99标准规定了sizeof也可以在运行时来计算，因此运行时的sizeof的操作也是可以正常输出的

int n;
cin>>n;//输入n=10;
char array[n];
cout<< sizeof(array);//输出10;

不过据说VC6中该代码编译不通过，可能由于C99的标准没有实现的原因。 需要注意的一点是sizeof对表达式，函数返回值等进行运算的时候这些表达式函数等等并不会被调用。

int foo(){ return 0; }
int i=0;
sizeof(i++);//i=0;
sizeof(foo());//不会调用foo();

C99标准规定，函数、不能确定类型的表达式以及位域(bit-field)成员不能被计算sizeof的值：

int foo(){return 0;}
void foo2(){}

sizeof(void);//error
sizeof(foo);//error
sizeof(foo());//Ok, 4
sizeof(foo2());//error

struct s{
 int f1:1;
 int f2:1;
 int f3:1;
};
struct s s1;
sizeof(s1.f1);//error
sizeof(s1);//Ok 4

用法

1. sizeof(char) = 1

在《C++ Primer》中提到，对char类型或者值为char类型的表达式进行sizeof操作保证得1。 这样从而char类型作为一个度量标准，不管编译器或者系统怎样，sizeof(char)始终为1。

2. 对引用的sizeof等于存放该引用对象的内存大小

也就是说，如果A是对B的引用的话，那么sizeof(A)将等译sizeof(B)。 但是说从内部实现的角度来看引用的话，引用应该跟指针类似，引用本身占用的空间大小应该是机器字长。

struct s{
 char &c;
};
sizeof(s);//64bit 8

但对引用的sizeof种种现象都显示出引用就是其本身的类型。诸如typeid，sizeof等等。 这个引用跟指针的具体区别还需要继续研究。

3. 对数组的sizeof等于对其元素的sizeof大小乘以数组的长度

char c[10] = "Hello";
char c1[] = "Hello";
int i[3] = {0};

sizeof(c);//10
sizeof(c1);//6
sizeof(i);//12

需要注意的是sizeof的结果不是数组的长度，要想获得数组的长度可以用sizeof结果除以每个元素的sizeof的大小。

4. 对指针的sizeof等于存放该指针的内存大小

引用指针的区别，引用的sizeof给出的是指向的内存对象的大小，指针的sizeof给出的是指针的大小。 所以对于32bit系统而言，所有的指针的sizeof都是4，而对于64bit系统，则是8。

如果想获得指针所指的对象的内存大小，则需要解引用。sizeof(*ptr)。

这里有一道经典的题，求i1,i2的值。

void foo(char c1[3]){
 int i1 = sizeof(c1);
}
void foo2(char c2[]){
 int i2 = sizeof(c2);
}

可能大部分都会以为i1等于3。但实际上来看，这里的i1跟i2都是指针的长度。 函数在参数传递的时候，数组已经蜕变成了指针。 也就是说下面几种函数的声明是等价的

void foo(char c[3]);

void foo2(char c[]);

void foo3(char * c);

传递进去的参数都将是指针，所以sizeof的长度也是指针的长度。

5. 与strlen的区别

strlen(char*)是个求字符串实际长度的函数，返回字符串中不包括\0的长度。

char c0[10] = "Hello";
sizeof(c0);//10
strlen(c0);//5

char c1[10] = {'\0'};
sizeof(c1);//10
strlen(c1);//0

char c2[10] = "0123456789";
sizeof(c2);//10
strlen(c2);//Unkown

需要注意的是最后一个例子，如果字符的长度大于等于字符数组的大小时，导致判断str终止的\0字符无法赋值进去，c2的结尾是9而不是\0，因此strlen会一直向后检索到遇到\0才停止，此时strlen的值是不可靠的。

6. Struct的内存对齐

关于struct的内存大小就会涉及到内存对齐的问题了。

举个简单的例子

struct S1{
    char a;
    double b;
    int c;
};
sizeof(S1);

乍一看我们会以为sizeof(S1) = sizeof(a)+sizeof(b)+sizeof(c)，应该等于1+8+4=13。 可实际上结果却是24。这正是内存对齐的影响。

我们来看下内存对齐的几个规则：

再来看上边那个例子，其中char a的偏移量是0，double b的偏移量应该是本身的整数倍，所以是8。最后int c的偏移量是16，满足规则。但整个struct的长度现在是16+4=20。 要满足struct对齐后是最宽的数据的整数倍，所以要在int后边填充4个字节得到24。

struct的某个成员相对于struct首地址的偏移量可以通过宏offsetof()来获取。这个宏定义在stddef.h中，如下

#define offsetof(s,m) (size_t) & (((s * )0)->m)

位域(bit-field)上的内存对齐

虽然说对bit-field的成员不能够进行sizeof操作，但是我们仍然可以对bit-field的整体来进行sizeof的操作的。 bit-field的数据成员也要满足struct上的内存对齐规则。 不过特别的，bit-field还有一套自己的内存对齐规则。

  1. 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
  2. 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
  3. 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式；
  4. 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；
  5. 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

内存对齐的作用

关于内存对齐的作用，这篇博客有着详细的说明。 然后本人就转了过来。

内存对齐的主要作用是：

  1. 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
  2. 性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

这是普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成，而CPU并不是这么看待的。

CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16字节大小，因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity（粒度） 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：

  1. 数据从0字节开始
  2. 数据从1字节开始

再次假设内存读取粒度为4。

此时CPU先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了CPU性能。

这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

关于pragma pack()

系统的#pragma pack(n)，用来设置对齐单位的最大长度。 因为对齐的几条规则取的基本长度要求是#pragma pack()设置的和数据中最长的基本数据类型的长度取min运算。也就是说如果n设置为4的话，最大的对齐单位都不会超过4的。

例如#pragma pack(1)就是将所有的对齐按照1的整数倍来对齐，实际上就是没有进行对齐，所有数据都压缩紧凑排列。

另外该属性也可以通过__attribute__来设置的。如__attribute__((packed))即设置为紧凑模式，不进行压缩。 或者__attribut__((aligned(4)))来制定对齐的基本单位是几个字节。

struct 里长度为0的数组

理论上说长度为0的数组在标准C和C++中是不被允许的，但在GNU中这种用法却是合法的，被网上称之为柔性数组。

struct s{
 int length;
 char c[0];
};
sizeof(s);//4

可以看到柔性数组并不占用空间。 它的最典型的用法就是位于数组中的最后一项，如上面所示，这样做主要是为了方便内存缓冲区的管理。 如果你将上面的长度为的数组换为指针，那么在分配内存时，需采用两步：首先，需为结构体分配一块内存空间；其次再为结构体中的成员变量分配内存空间。 这样两次分配的内存是不连续的，需要分别对其进行管理。 当使用长度为的数组时，则是采用一次分配的原则，一次性将所需的内存全部分配给它。 相反，释放时也是一样的。

参考资料

06 Mar 2016

Post by: MetaCoder