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C++ sizeof 使用规则及陷阱分析

2010-03-30 10:55 826 查看
1、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:

cout<<sizeof(int)<<endl; // 32位机上int长度为4
cout<<sizeof(1==2)<<endl; // == 操作符返回bool类型,相当于 cout<<sizeof(bool)<<endl;
  在编译阶段已经被翻译为:

cout<<4<<endl;
cout<<1<<endl;
  这里有个陷阱,看下面的程序:

int a = 0;
cout<<sizeof(a=3)<<endl;
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;
  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。

  2、sizeof的用法

  sizeof有两种用法:

  (1)sizeof(object)

  也就是对对象使用sizeof,也可以写成sizeof object 的形式。

  (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:

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类型的object, sizeof object的用法,合理
cout<<sizeof(2)<<endl; // 2被解析成int类型的object, sizeof(object)的用法,合理
cout<<sizeof(int)<<endl;// sizeof(typename)的用法,合理
cout<<sizeof int<<endl; // 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()。

  3、数据类型的sizeof

  (1)C++固有数据类型

  32位C++中的基本数据类型,也就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:

cout<<sizeof(unsigned int) == sizeof(int)<<endl; // 相等,输出 1
  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:

typedef short WORD;
typedef long DWORD;
cout<<(sizeof(short) == sizeof(WORD))<<endl; // 相等,输出1
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:

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

cout<<sizeof(f1())<<endl; // f1()返回值为int,因此被认为是int
cout<<sizeof(f2())<<endl; // f2()返回值为double,因此被认为是double
cout<<sizeof(f3())<<endl; // 错误!无法对void类型使用sizeof
cout<<sizeof(f1)<<endl; // 错误!无法对函数指针使用sizeof
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
  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)。

顺便唧唧歪歪几句,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:

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
  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:

int *d = new int[10];
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。

  再考虑下面的问题:

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是一个很奇怪的定义,他表示一个指向 double*[3][6]类型数组的指针。既然是指针,所以sizeof(a)就是4。

既然a是执行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。同样的,**a表示一个double*[6]类型的数组,所以sizeof(**a)=6*sizeof (double*)=24。***a就表示其中的一个元素,也就是double*了,所以sizeof(***a)=4。至于****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:

#include <iostream>
using namespace std;

int Sum(int i[])
{
 int sumofi = 0;
 for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++) //实际上,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:

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:

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;
}
  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:

#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

  考虑下面的问题:

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

cout<<strlen(a)<<endl; // 6,字符串长度
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7,字符串容量
cout<<strlen(b)<<endl; // 6,字符串长度
cout<<strlen(b)<<endl; // 20,字符串容量
cout<<sizeof(s)<<endl; // 12, 这里不代表字符串的长度,而是string类的大小
cout<<strlen(s)<<endl; // 错误!s不是一个字符指针。

a[1] = '/0';
cout<<strlen(a)<<endl; // 1
cout<<sizeof(a)<<endl; // 7,sizeof是恒定的
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。

  我注:关于sizeof(string),好像不同的实现返回的结果不一样:

DevCPP:4
VS2005:32
 8、从union的sizeof问题看cpu的对界

  考虑下面问题:(默认对齐方式)

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,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。

顺便提一下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。对界是可以更改的,使用 #pragma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式,默认是8。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。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:
#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。

  9、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)

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。

  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:

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。

  10、不要让double干扰你的位域

  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:

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。
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