c/c++数组与sizeof的基础知识

转自：http://www.cppblog.com/bloodsuck/articles/7575.html

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。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：

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

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。

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。

第一次写东西，发现自己的表达能力太差了，知道的东西讲不出来，讲出来的东西别人也看不懂，呵呵。另外，
C99 标准的
sizeof 已经可以工作在运行时了，打算最近找个支持
C99 的编译器研究一下。