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sizeof,終極無惑(上)

 昵稱8442 2007-12-26
sizeof,終極無惑(上)
2007-11-15 19:16

0. 前向聲明

sizeof,一個(gè)其貌不揚(yáng)的家伙,引無數(shù)菜鳥竟折腰,小蝦我當(dāng)初也沒少犯迷糊,秉著"辛苦我一個(gè),幸福千萬人"的偉大思想,我決定將其盡可能詳細(xì)的總結(jié)一下。

但當(dāng)我總結(jié)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn),這個(gè)問題既可以簡單,又可以復(fù)雜,所以本文有的地方并不適合初學(xué)者,甚至都沒有必要大作文章。但如果你想"知其然,更知其所以然"的話,那么這篇文章對你或許有所幫助。

菜鳥我對C++的掌握尚未深入,其中不乏錯(cuò)誤,歡迎各位扔磚砸蛋。

1. 定義

sizeof是何方神圣?sizeof乃C/C++中的一個(gè)操作符(operator)是也,簡單的說其作用就是返回一個(gè)對象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。

MSDN上的解釋為:

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.

其返回值類型為size_t,在頭文件stddef.h中定義。這是一個(gè)依賴于編譯系統(tǒng)的值,一般定義為:

typedef unsigned int size_t;

世上編譯器林林總總,但作為一個(gè)規(guī)范,它們都會保證char、signed char和unsigned char的sizeof值為1,畢竟char是我們編程能用的最小數(shù)據(jù)類型。

2. 語法

sizeof有三種語法形式,如下:

1) sizeof( object ); // sizeof( 對象 );
2) sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
3) sizeof object; // sizeof 對象;

所以,

int i;
sizeof( i ); // ok
sizeof i; // ok
sizeof( int ); // ok
sizeof int; // error

既然寫法3可以用寫法1代替,為求形式統(tǒng)一以及減少我們大腦的負(fù)擔(dān),第3種寫法,忘掉它吧!

實(shí)際上,sizeof計(jì)算對象的大小也是轉(zhuǎn)換成對對象類型的計(jì)算,也就是說,同種類型的不同對象其sizeof值都是一致的。這里,對象可以進(jìn)一步延伸至表達(dá)式,即sizeof可以對一個(gè)表達(dá)式求值,編譯器根據(jù)表達(dá)式的最終結(jié)果類型來確定大小,一般不會對表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。如:

sizeof( 2 ); // 2的類型為int,所以等價(jià)于 sizeof( int );
sizeof( 2 + 3.14 ); // 3.14的類型為double,2也會被提升成double類型,所以等價(jià)于 sizeof( double );

sizeof也可以對一個(gè)函數(shù)調(diào)用求值,其結(jié)果是函數(shù)返回類型的大小,函數(shù)并不會被調(diào)用,我們來看一個(gè)完整的例子:

char foo()
{
     printf("foo() has been called.\n");
    return ‘a(chǎn)‘;
}
int main()
{
     size_t sz = sizeof( foo() ); // foo() 的返回值類型為char,所以sz = sizeof( char ),foo()并不會被調(diào)用
     printf("sizeof( foo() ) = %d\n", sz);
}

C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,函數(shù)、不能確定類型的表達(dá)式以及位域(bit-field)成員不能被計(jì)算sizeof值,即下面這些寫法都是錯(cuò)誤的:

sizeof( foo ); // error

void foo2() { }
sizeof( foo2() ); // error

struct S
{
    unsigned int f1 : 1;
    unsigned int f2 : 5;
    unsigned int f3 : 12;
};
sizeof( S.f1 ); // error

3. sizeof的常量性

sizeof的計(jì)算發(fā)生在編譯時(shí)刻,所以它可以被當(dāng)作常量表達(dá)式使用,如:

char ary[ sizeof( int ) * 10 ]; // ok

最新的C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定sizeof也可以在運(yùn)行時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算,如下面的程序在Dev-C++中可以正確執(zhí)行:

int n;
n = 10; // n動態(tài)賦值
char ary[n]; // C99也支持?jǐn)?shù)組的動態(tài)定義
printf("%d\n", sizeof(ary)); // ok. 輸出10

但在沒有完全實(shí)現(xiàn)C99標(biāo)準(zhǔn)的編譯器中就行不通了,上面的代碼在VC6中就通不過編譯。所以我們最好還是認(rèn)為sizeof是在編譯期執(zhí)行的,這樣不會帶來錯(cuò)誤,讓程序的可移植性強(qiáng)些。

4. 基本數(shù)據(jù)類型的sizeof

這里的基本數(shù)據(jù)類型指short、int、long、float、double這樣的簡單內(nèi)置數(shù)據(jù)類型,由于它們都是和系統(tǒng)相關(guān)的,所以在不同的系統(tǒng)下取值可能不同,這務(wù)必引起我們的注意,盡量不要在這方面給自己程序的移植造成麻煩。

一般的,在32位編譯環(huán)境中,sizeof(int)的取值為4。

5. 指針變量的sizeof

學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的你應(yīng)該知道指針是一個(gè)很重要的概念,它記錄了另一個(gè)對象的地址。既然是來存放地址的,那么它當(dāng)然等于計(jì)算機(jī)內(nèi)部地址總線的寬度。所以在32位計(jì)算機(jī)中,一個(gè)指針變量的返回值必定是4(注意結(jié)果是以字節(jié)為單位),可以預(yù)計(jì),在將來的64位系統(tǒng)中指針變量的sizeof結(jié)果為8。

char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)(); // 函數(shù)指針
sizeof( pc ); // 結(jié)果為4
sizeof( pi ); // 結(jié)果為4
sizeof( ps ); // 結(jié)果為4
sizeof( ppc ); // 結(jié)果為4
sizeof( pf ); // 結(jié)果為4

指針變量的sizeof值與指針?biāo)傅膶ο鬀]有任何關(guān)系,正是由于所有的指針變量所占內(nèi)存大小相等,所以MFC消息處理函數(shù)使用兩個(gè)參數(shù)WPARAM、LPARAM就能傳遞各種復(fù)雜的消息結(jié)構(gòu)(使用指向結(jié)構(gòu)體的指針)。

6. 數(shù)組的sizeof

數(shù)組的sizeof值等于數(shù)組所占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù),如:

char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 結(jié)果為4,字符串末尾還存在一個(gè)NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結(jié)果為3*4=12(依賴于int)

一些朋友剛開始時(shí)把sizeof當(dāng)作了求數(shù)組元素的個(gè)數(shù),現(xiàn)在,你應(yīng)該知道這是不對的,那么應(yīng)該怎么求數(shù)組元素的個(gè)數(shù)呢?Easy,通常有下面兩種寫法:

int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char ); // 總長度/單個(gè)元素的長度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0] ); // 總長度/第一個(gè)元素的長度

寫到這里,提一問,下面的c3,c4值應(yīng)該是多少呢?

void foo3(char a3[3])
{
    int c3 = sizeof( a3 ); // c3 == ?
}
void foo4(char a4[])
{
    int c4 = sizeof( a4 ); // c4 == ?
}

也許當(dāng)你試圖回答c4的值時(shí)已經(jīng)意識到c3答錯(cuò)了,是的,c3!=3。這里函數(shù)參數(shù)a3已不再是數(shù)組類型,而是蛻變成指針,相當(dāng)于char* a3,為什么?仔細(xì)想想就不難明白,我們調(diào)用函數(shù)foo1時(shí),程序會在棧上分配一個(gè)大小為3的數(shù)組嗎?不會!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a3自然為指針類型(char*),c3的值也就為4。

7. 結(jié)構(gòu)體的sizeof

這是初學(xué)者問得最多的一個(gè)問題,所以這里有必要多費(fèi)點(diǎn)筆墨。讓我們先看一個(gè)結(jié)構(gòu)體:

struct S1
{
    char c;
    int i;
};

問sizeof(s1)等于多少?聰明的你開始思考了,char占1個(gè)字節(jié),int占4個(gè)字節(jié),那么加起來就應(yīng)該是5。是這樣嗎?你在你機(jī)器上試過了嗎?也許你是對的,但很可能你是錯(cuò)的!VC6中按默認(rèn)設(shè)置得到的結(jié)果為8。

Why?為什么受傷的總是我?

請不要沮喪,我們來好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結(jié)果等于對象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù),好吧,那就讓我們來看看S1的內(nèi)存分配情況:

S1 s1 = { ‘a(chǎn)‘, 0xFFFFFFFF };

定義上面的變量后,加上斷點(diǎn),運(yùn)行程序,觀察s1所在的內(nèi)存,你發(fā)現(xiàn)了什么?

以我的VC6.0為例,s1的地址為0x0012FF78,其數(shù)據(jù)內(nèi)容如下:

0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF

發(fā)現(xiàn)了什么?怎么中間夾雜了3個(gè)字節(jié)的CC?看看MSDN上的說明:

When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.

原來如此,這就是傳說中的字節(jié)對齊??!一個(gè)重要的話題出現(xiàn)了。

為什么需要字節(jié)對齊?計(jì)算機(jī)組成原理教導(dǎo)我們這樣有助于加快計(jì)算機(jī)的取數(shù)速度,否則就得多花指令周期了。為此,編譯器默認(rèn)會對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行處理(實(shí)際上其它地方的數(shù)據(jù)變量也是如此),讓寬度為2的基本數(shù)據(jù)類型(short等)都位于能被2整除的地址上,讓寬度為4的基本數(shù)據(jù)類型(int等)都位于能被4整除的地址上,以此類推。這樣,兩個(gè)數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié),所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長了。

讓我們交換一下S1中char與int的位置:

struct S2
{
    int i;
    char c;
};

看看sizeof(S2)的結(jié)果為多少,怎么還是8?再看看內(nèi)存,原來成員c后面仍然有3個(gè)填充字節(jié),這又是為什么?。縿e著急,下面總結(jié)規(guī)律。

字節(jié)對齊的細(xì)節(jié)和編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān),但一般而言,滿足三個(gè)準(zhǔn)則:

1) 結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除;
2) 結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量(offset)都是成員大小的整數(shù)倍,如有需要編譯器會在成員之間加上填充字節(jié)(internal adding);
3) 結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍,如有需要編譯器會在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)(trailing padding)。

對于上面的準(zhǔn)則,有幾點(diǎn)需要說明:

1) 前面不是說結(jié)構(gòu)體成員的地址是其大小的整數(shù)倍,怎么又說到偏移量了呢?因?yàn)橛辛说?點(diǎn)存在,所以我們就可以只考慮成員的偏移量,這樣思考起來簡單。想想為什么。
結(jié)構(gòu)體某個(gè)成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量可以通過宏offsetof()來獲得,這個(gè)宏也在stddef.h中定義,如下:

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

例如,想要獲得S2中c的偏移量,方法為

size_t pos = offsetof(S2, c); // pos等于4

2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型,這里所說的"數(shù)據(jù)寬度"就是指其sizeof的大小。由于結(jié)構(gòu)體的成員可以是復(fù)合類型,比如另外一個(gè)結(jié)構(gòu)體,所以在尋找最寬基本類型成員時(shí),應(yīng)當(dāng)包括復(fù)合類型成員的子成員,而不是把復(fù)合成員看成是一個(gè)整體。但在確定復(fù)合類型成員的偏移位置時(shí)則是將復(fù)合類型作為整體看待。

這里敘述起來有點(diǎn)拗口,思考起來也有點(diǎn)撓頭,還是讓我們看看例子吧(具體數(shù)值仍以VC6為例,以后不再說明):

struct S3
{
    char c1;
     S1 s;
    char c2
};

S1的最寬基本成員的類型為int,S3在考慮最寬基本類型成員時(shí)是將S1"打散"看的,所以S3的最寬基本類型為int,這樣,通過S3定義的變量,其存儲空間首地址需要被4整除,整個(gè)sizeof(S3)的值也應(yīng)該被4整除。

c1的偏移量為0,s的偏移量呢?這時(shí)s是一個(gè)整體,它作為結(jié)構(gòu)體變量也滿足前面三個(gè)準(zhǔn)則,所以其大小為8,偏移量為4,c1與s之間便需要3個(gè)填充字節(jié),而c2與s之間就不需要了,所以c2的偏移量為12,算上c2的大小為13,13是不能被4整除的,這樣末尾還得補(bǔ)上3個(gè)填充字節(jié)。最后得到sizeof(S3)的值為16。

通過上面的敘述,我們可以得到一個(gè)公式:

結(jié)構(gòu)體的大小等于最后一個(gè)成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節(jié)數(shù)目,即:
sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

到這里,朋友們應(yīng)該對結(jié)構(gòu)體的sizeof有了一個(gè)全新的認(rèn)識,但不要高興得太早,有一個(gè)影響sizeof的重要參量還未被提及,那便是編譯器的pack指令。它是用來調(diào)整結(jié)構(gòu)體對齊方式的,不同編譯器名稱和用法略有不同,VC6中通過#pragma pack實(shí)現(xiàn),也可以直接修改/Zp編譯開關(guān)。#pragma pack的基本用法為:#pragma pack( n ),n為字節(jié)對齊數(shù),其取值為1、2、4、8、16,默認(rèn)是8,如果這個(gè)值比結(jié)構(gòu)體成員的sizeof值小,那么該成員的偏移量應(yīng)該以此值為準(zhǔn),即是說,結(jié)構(gòu)體成員的偏移量應(yīng)該取二者的最小值,公式如下:

offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )

再看示例:

#pragma pack(push) // 將當(dāng)前pack設(shè)置壓棧保存
#pragma pack(2) // 必須在結(jié)構(gòu)體定義之前使用
struct S1
{
    char c;
    int i;
};
struct S3
{
    char c1;
     S1 s;
    char c2
};
#pragma pack(pop) // 恢復(fù)先前的pack設(shè)置

計(jì)算sizeof(S1)時(shí),min(2, sizeof(i))的值為2,所以i的偏移量為2,加上sizeof(i)等于6,能夠被2整除,所以整個(gè)S1的大小為6。

同樣,對于sizeof(S3),s的偏移量為2,c2的偏移量為8,加上sizeof(c2)等于9,不能被2整除,添加一個(gè)填充字節(jié),所以sizeof(S3)等于10。

現(xiàn)在,朋友們可以輕松的出一口氣了,:)

還有一點(diǎn)要注意,"空結(jié)構(gòu)體"(不含數(shù)據(jù)成員)的大小不為0,而是1。試想一個(gè)"不占空間"的變量如何被取地址、兩個(gè)不同的"空結(jié)構(gòu)體"變量又如何得以區(qū)分呢?于是,"空結(jié)構(gòu)體"變量也得被存儲,這樣編譯器也就只能為其分配一個(gè)字節(jié)的空間用于占位了。如下:

struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 結(jié)果為1

8. 含位域結(jié)構(gòu)體的sizeof

前面已經(jīng)說過,位域成員不能單獨(dú)被取sizeof值,我們這里要討論的是含有位域的結(jié)構(gòu)體的sizeof,只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來。

C99規(guī)定int、unsigned int和bool可以作為位域類型,但編譯器幾乎都對此作了擴(kuò)展,允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲,其大致規(guī)則為:

1) 如果相鄰位域字段的類型相同,且其位寬之和小于類型的sizeof大小,則后面的字段將緊鄰前一個(gè)字段存儲,直到不能容納為止;
2) 如果相鄰位域字段的類型相同,但其位寬之和大于類型的sizeof大小,則后面的字段將從新的存儲單元開始,其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍;
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同,則各編譯器的具體實(shí)現(xiàn)有差異,VC6采取不壓縮方式,Dev-C++采取壓縮方式;
4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段,則不進(jìn)行壓縮;
5) 整個(gè)結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

還是讓我們來看看例子。

示例1:

struct BF1
{
    char f1 : 3;
    char f2 : 4;
    char f3 : 5;
};

其內(nèi)存布局為:

| f1  |  f2   | |  f3     |     |
            ---------------------------------
            | | | | | | | | | | | | | | | | |
            ---------------------------------
            0     3       7 8         13    16 (byte)

位域類型為char,第1個(gè)字節(jié)僅能容納下f1和f2,所以f2被壓縮到第1個(gè)字節(jié)中,而f3只能從下一個(gè)字節(jié)開始。因此sizeof(BF1)的結(jié)果為2。

示例2:
struct BF2
{
    char f1 : 3;
    short f2 : 4;
    char f3 : 5;
};

由于相鄰位域類型不同,在VC6中其sizeof為6,在Dev-C++中為2。

示例3:
struct BF3
{
    char f1 : 3;
    char f2;
    char f3 : 5;
};

非位域字段穿插在其中,不會產(chǎn)生壓縮,在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

9. 聯(lián)合體的sizeof

結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存組織上是順序式的,聯(lián)合體則是重疊式,各成員共享一段內(nèi)存,所以整個(gè)聯(lián)合體的sizeof也就是每個(gè)成員sizeof的最大值。結(jié)構(gòu)體的成員也可以是復(fù)合類型,這里,復(fù)合類型成員是被作為整體考慮的。

所以,下面例子中,U的sizeof值等于sizeof(s)。

union U
{
    int i;
    char c;
     S1 s;
};

(欲知C++中sizeof的內(nèi)幕,敬請關(guān)注本文第二部分)

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