C++ sizeof 使用规则及陷阱分析【转】
一、什么是sizeof
二、sizeof用法
三、基本数据类型的sizeof
四、复杂数据类型的sizeof及其数据对齐问题
五、class类型的sizeof特别探讨
六、总结
一、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更像一个特殊的宏,它是在编译阶段求值的。举个例子:
2 cout<<sizeof(1==2)<<endl; //== 操作符返回bool类型,相当于 cout<<sizeof(bool)<<endl;
3
在编译阶段已经被翻译为:
2 cout<<1<<endl;
这里有个陷阱,看下面的程序:
2 cout<<sizeof(a=3)<<endl;
3 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;
"abcd"返回是字符串类型
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,把他当成一个特殊的编译预处理。
二、sizeof的用法
sizeof有两种用法:
(1)sizeof(object) 或 sizeof object
也就是对对象使用sizeof,也可以写成sizeof object 的形式。例如:
(2)sizeof(typename)
也就是对类型使用sizeof,注意这种情况下写成sizeof typename是非法的。下面举几个例子说明一下:
2 cout<<sizeof(i)<<endl; //sizeof(object)的用法,合理
3 cout<<sizeofi<<endl; //sizeof object的用法,合理
4 cout<<sizeof2<<endl; //2被解析成int类型的object, sizeof object的用法,合理
5 cout<<sizeof(2)<<endl; //2被解析成int类型的object, sizeof(object)的用法,合理
6 cout<<sizeof(int)<<endl;//sizeof(typename)的用法,合理
7 cout<<sizeofint<<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()。
三、基本数据类型的sizeof
(1)C++内置数据类型
32位C++中的基本数据类型,
bool | char | short int(short) | int | long int(long) | float | double | long double | |
sizeof | 1 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 10 |
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:
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:
2 typedef longDWORD;
3 cout<<(sizeof(short) ==sizeof(WORD))<<endl; //相等,输出1
4 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:
2 doublef2(){return0.0;}
3 voidf3(){}
4
5 cout<<sizeof(f1())<<endl; //f1()返回值为int,因此被认为是int
6 cout<<sizeof(f2())<<endl; //f2()返回值为double,因此被认为是double
7 cout<<sizeof(f3())<<endl; //错误!无法对void类型使用sizeof
8 cout<<sizeof(f1)<<endl; //错误!无法对函数指针使用sizeof
9 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
10
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)。
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,如果是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:
2 charb[] ={'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'};
3 intc[20] ={3, 4};
4 chard[2][3] ={"aa", "bb"};
5
6
7 cout<<sizeof(a)<<endl; //7, 表示字符串
8 cout<<sizeof(b)<<endl; //6, 仅表示字符数组
9 cout<<sizeof(c)<<endl; //80
10 cout<<sizeof(d)<<endl; //611
2 cout <<sizeof(*b) <<endl;//1
3 cout <<sizeof(*c) <<endl;//4
4 cout <<sizeof(*d) <<endl;//3
特别如果字符数组表示字符串的话,数组末自动插入的'\0',在sizeof时不能遗漏
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:
2
3 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。
再分析下面的多维数组问题:
2
3 cout<<sizeof(a)<<endl; //4
4 cout<<sizeof(*a)<<endl; //72
5 cout<<sizeof(**a)<<endl; //24
6 cout<<sizeof(***a)<<endl; //4
7 cout<<sizeof(****a)<<endl; //8
很费解的多维数组定义,改用typedef定义如下:
2 ArrType *a;
现在是不是很清晰了?(关于typedef用法的探讨,请见文章)
2 ArrType *a;
3
4 cout <<sizeof(a) <<endl;//4
5cout <<sizeof(*a) <<endl;//double * [3][6] : 3*6*sizeof(double *) = 72
6cout <<sizeof(**a) <<endl;//double * [6] : 6*sizeof(double *) = 24
7cout <<sizeof(***a) <<endl;//sizeof(double *) = 4
8cout <<sizeof(****a) <<endl;//sizeof(double) = 8
a是一个很奇怪的定义,他表示一个指向 double*[3][6]类型数组的指针,此3×6数组中存储的是指向double的指针。既然是指针,所以sizeof(a)就是4
既然a是指向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。
**a表示一个double*[6]类型的数组,所以sizeof(**a)=6*sizeof(double*)=24。
***a就表示其中的第一个元素,也就是double*了,所以sizeof(***a)=4。
****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:
2 usingnamespacestd;
3
4 intSum(inti[])
5 {
6 intsumofi =0;
7 for(intj =0; j <sizeof(i)/sizeof(int); j++) //实际上,sizeof(i) = 4
8 {
9 sumofi +=i[j];
10 }
11 returnsumofi;
12 }
13
14 intmain()
15 {
16 intallAges[6] ={21, 22, 22, 19, 34, 12};
17 cout<<Sum(allAges)<<endl;
18 system("pause");
19 return0;
20 }
21
22
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:
2 {
3 intsumofi =0;
4 for(intj =0; j <sizeof(*i)/sizeof(int); j++) //sizeof(*i) = 24
5 {
6 sumofi +=(*i)[j];
7 }
8 returnsumofi;
9 }
10
11 intmain()
12 {
13 intallAges[] ={21, 22, 22, 19, 34, 12};
14 cout<<Sum(&allAges)<<endl;
15 system("pause");
16 return0;
17 }
18
19
在这个Sum里,i是一个指向i[6]类型的指针,注意,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:
2 {
3 intsumofi =0;
4 for(intj =0; j <sizeof(i)/sizeof(int); j++)
5 {
6 sumofi +=i[j];
7 }
8 returnsumofi;
9 }
10
11 intmain()
12 {
13 intallAges[] ={21, 22, 22, 19, 34, 12};
14 cout<<Sum(allAges)<<endl;
15 system("pause");
16 return0;
17 }
18
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:
2 usingnamespacestd;
3
4 intSum(int*i, unsigned intn)
5 {
6 intsumofi =0;
7 for(intj =0; j <n; j++)
8 {
9 sumofi +=i[j];
10 }
11 returnsumofi;
12 }
13
14 intmain()
15 {
16 intallAges[] ={21, 22, 22, 19, 34, 12};
17 cout<<Sum(i, sizeof(allAges)/sizeof(int))<<endl;
18 system("pause");
19 return0;
20 }
21
22
(7)、C风格字符串与C++风格字符串类(String)的sizeof和strlen
考虑下面的问题:
2 usingnamespacestd;
3
4 chara[] ="abcdef";
5 charb[20] ="abcdef";
6 strings ="abcdef";
7
8 cout<<strlen(a)<<endl; //6,字符串长度
9 cout<<sizeof(a)<<endl; //7,字符串容量
10 cout<<strlen(b)<<endl; //6,字符串长度
11 cout<<sizeof(b)<<endl; //20,字符串容量
12 //cout<<strlen(s)<<endl; //错误!s不是一个字符指针。
13 cout<<sizeof(s)<<endl; //16, 这里不代表字符串的长度,而是string类的大小
14
15 a[1] ='\0';
16 cout<<strlen(a)<<endl; //1
17 cout<<sizeof(a)<<endl; //7,sizeof是恒定的,因为是前面已经固定分配过7个单元,虽然现在字符串变为空串
18
记住:String是class类型。(关于class类型的sizeof请参见第五节)
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,如果想用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。
STL中的String类:
string的sizeof和平台相关的,string类最简单的可以近似认为是包含两个数据成员:char *指针成员( 表示字符数组)和 int成员(表示字符串长度)。但是事实上并不是这样定义的,可能还有其他数据成员,如编译器插入指针vptr等。因此根据不同的实现,可以查看String类的定义中如何定义。比如在我现在机器上,sizeof(string) = 16
四、复杂数据类型中sizeof及其数据对齐问题
(1)、union的sizeof问题与cpu的对界
考虑下面问题:(默认对齐方式)
2 {
3 doublea;
4 intb;
5 };
6
7 union u2 //4对齐
8 {
9 chara[13];
10 intb;
11 };
12
13 union u3 //1对齐
14 {
15 chara[13];
16 charb;
17 };
18
19 cout<<sizeof(u)<<endl; //8
20 cout<<sizeof(u2)<<endl; //16
21 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?关键在于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(4字节对齐),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。
编译器对界:
首先解释下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。
通过程序可以改变编译器对界,使用#pragma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式,默认是8。
编译器对界与实际对界判决原则:
C++固有类型的对界取编译器对界方式(默认或指定)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:
2 union u2
3 {
4 chara[13];
5 intb;
6 };
7
8 union u3
9 {
10 chara[13];
11 charb;
12 };
13 #pragma pack(8)
14
15 cout<<sizeof(u2)<<endl; //14
16 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。
(2)、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)
2 {
3 chara;
4 doubleb;
5 intc;
6 chard;
7 };
8
9 structs2
10 {
11 chara;
12 chard;
13 intc;
14 doubleb;
15 };
16
17 cout<<sizeof(s1)<<endl; //24
18 cout<<sizeof(s2)<<endl; //16
这里数据对齐与struct中元素的顺序相关. 上面例子中只是改变了struct中成员的定义顺序
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判断结构体的对界,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。
总结:这里计算sizeof既要考虑数据对齐(整体上最大元素的size对齐,满足之后还要满足struct中其他元素的对齐),又要考虑最节约存储空间的原则。
(3)、嵌套struct类定义中的sizeof
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:
2 {
3 chara[8];
4 };
5
6 structs2
7 {
8 doubled;
9 };
10
11 structs3
12 {
13 s1 s;
14 chara;
15 };
16
17 structs4 //s1为1对齐,大小为8
18 {
19
20 s1 s;
21 doubled;
22 };
23
24 structs5
25 {
26 s2 s;
27 chara;
28 };
29
30
31
32 cout <<sizeof(s1) <<endl; //8
33 cout <<sizeof(s2) <<endl; //8
34 cout <<sizeof(s3) <<endl; //9
35 cout <<sizeof(s4) <<endl; //16
36 cout <<sizeof(s5) <<endl; //16
再考虑:
2 {
3 chara[9];
4 };
5
6 structs2
7 {
8 doubled;
9 };
10
11 structs3
12 {
13 s1 s;
14 chara;
15 };
16
17 structs4 //s1为1对齐,大小为9
18 {
19
20 s1 s;
21 doubled;
22 };
23
24 structs5
25 {
26 s2 s;
27 chara;
28 };
29
30
31
32 cout <<sizeof(s1) <<endl; //9
33 cout <<sizeof(s2) <<endl; //8
34 cout <<sizeof(s3) <<endl; //10
35 cout <<sizeof(s4) <<endl; //24
36 cout <<sizeof(s5) <<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,如果空间紧张的话,最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。
(4)、位域结构体中的对齐问题。
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:
2 {
3 inti: 8;
4 intj: 4;
5 doubleb;
6 inta:3;
7 };
8
9 structs2
10 {
11 inti;
12 intj;
13 doubleb;
14 inta;
15 };
16
17 structs3
18 {
19 inti;
20 intj;
21 inta;
22 doubleb;
23 };
24
25 structs4
26 {
27 inti: 8;
28 intj: 4;
29 inta:3;
30 doubleb;
31 };
32
33 structs4
34 {
35 doubleb;
36 inti: 8;
37 intj: 4;
38 inta:3;
39 };
40
41 cout<<sizeof(s1)<<endl; //24
42 cout<<sizeof(s2)<<endl; //24
43 cout<<sizeof(s3)<<endl; //24
44 cout<<sizeof(s4)<<endl; //16
45 cout<<sizeof(s5)<<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。不要让double干扰你的位域
五、类class 中的sizeof特别探讨
写在前面,本节假设你看过《Inside the C++ Object Model》,如果没有,最好了解类与对象在内存中map问题
这里引用《Inside the C++ Object Model》中的对象模型的内存镜像图:
(一)不考虑继承关系(单继承、多继承、虚继承等)
(1)不带virtual函数时
空类:
2 {
3
4 };
5
6 cout <<sizeof(A) <<endl; //1
空类总是返回1
2 private:
3 intvalue;
4 doublea;
5 public:
6
7 };
8
9 cout <<sizeof(B) <<endl; //16
和struct一样,也要考虑对齐问题,以及成员的顺序
因为成员函数不会分配空间,所以sizeof时只计算数据成员的大小
(2)带virtual函数时
单继承情况下,只要class中存在virtual函数,编译器在编译时就会自动插入一个指向虚函数表的指针vptr(大小为4字节). 不同的编译器vptr插入的位置可能不同,VC编译器插入vptr的位置一般是数据成员开始。
下例在MinGW Develper Studio2.05(gcc)下编译,VC 6.0编译器下结果为24 24, 我不太理解为什么...
2 {
3 public:
4 virtualvoidfoo() {}
5 private:
6 intm1;
7 doublem2;
8 };
9
10 classB
11 {
12 public:
13 virtualvoidfoo() {}
14 private:
15 doublem2;
16 intm1;
17 };
18
19
20 cout <<sizeof(A) <<endl; //16
21 cout <<sizeof(B) <<endl; //24
(3)带static成员时
2 private:
3 intvalue;
4 doublea;
5 staticintCST;
6 public:
7 };
8
9 cout <<sizeof(A) <<endl; //16
因为static成员是分配在全局区为类的所有对象共享(VC编译器可能为了方便将其放入文字常量表), sizeof时不应该计入sttic成员
(二)继承关系下
(1)单继承情况下
总体上讲, 派生类中需要考虑基类子类型(subtype)的问题,派生对象要考虑基类子对象的问题。
2 {
3 public:
4
5 private:
6 intm1;
7 doublem2;
8 };
9
10 classB : publicA
11 {
12 public:
13
14 private:
15 intm3;
16 };
17
18 cout <<sizeof(A) <<endl; //16
19 cout <<sizeof(B) <<endl; //24
同样,要考虑陷阱:基类对齐字节不等于大小,如下例:
2 {
3 public:
4
5 private:
6 charm1[8];
7
8 };
9
10 classB : publicA
11 {
12 public:
13
14 private:
15 charm3;
16 };
17
18 cout <<sizeof(A) <<endl; //8
19 cout <<sizeof(B) <<endl; //9
2 {
3 public:
4
5 private:
6 charm1[9];
7
8 };
9
10 classB : publicA
11 {
12 public:
13
14 private:
15 intm3;
16 };
17
18 cout <<sizeof(A) <<endl; //9
19 cout <<sizeof(B) <<endl; //16
同样道理,如果一直继承下去,考虑的问题同上。有虚函数不要忘记vptr指针
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