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C++中sizeof运算符的简要总结

sizeof是C++中的一个运算符（不是一个函数），它的作用被表述为：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. 简而言之，就是返回一个变量或类型在内存中所占的字节数。但正是这么一个看似简单的运算符，却成为了面试中的热门考点。这说明关于这个运算符其实有很多需要注意的地方。在这篇文章中，我就对这个运算符进行一个简要的总结。

一、指针，数组与sizeof

面试的时候，面试官经常将sizeof运算符与char*类型字符串或者char[]类型字符串综合起来考察。比如下面的例子：

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void getSize(char var[]){
    cout << sizeof(var) << endl;
}

int main(){
    char* str1 = "0123456789";
    cout << sizeof(str1) << endl;

    char str2[] = "0123456789";
    cout << sizeof(str2) << endl;

    char str3[100] = "0123456789";
    cout << sizeof(str3) << endl;

    getSize(str3);
}

在main函数中，我们依次定义了三个内容相似的字符串。首先对于str1，它是一个指针，指针大小在32位机器中恒定为4，所以输出为4；str2是字符数组，没有预定义大小，所以其大小由存储的字符串长度决定，字符串的长度为10，加上末尾的字符串结束符\0，共11个字符，所以输出11；str3是预定义大小的字符数组，不管内部存储的字符串长度是多少，其大小都是预定义的大小100，所以输出100。而对于函数getSize，我们需要了解的是，在C++中，任何数组作为函数参数传递进去后都会退化成指针，所以输出为4。
综上所述 ，输出依次为4、11、100和4。

二、struct和class在内存中的数据对齐

数据对齐这件事，我们平时好像不太关注，但是一提到sizeof操作符，就会不可避免地涉及到内存对齐的机制。之所以要进行内存对齐，是出于如下考虑：对于n字节的元素，它的首地址能被n整除时，才能在程序执行时获得最好的性能。对于类或者结构体，为了保证这一点，就需要使其内部的成员变量按照最长的成员变量的长度去对齐。举个例子：

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struct A{
    char a;
    short b;
    int c;
};

struct B{
    char a;
    int c;
    short b;
};

在上面的代码中，我们定义了两个结构体A和B，它们的成员变量内容相同，但是顺序不同。通过观察发现，A和B中最长的数据元素类型均为int，占4字节，所以两个结构体的成员变量均要以4字节为单位进行对齐。简而言之，就是成员变量按照顺序放入长度为4字节的位置中，如果能放得下，就继续往里放；如果放不下，就需要开辟一个新的位置。所以，A和B数据对齐的情况如下：

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A的数据对齐情况，按照声明的顺序，应该依次放置a,b,c：
|-a-|---|-b-|-b-|
|-c-|-c-|-c-|-c-|
所以sizeof(A)应该等于8。

B的数据对齐情况，按照声明的顺序，应该依次放置a,c,b：
|-a-|---|---|---|
|-c-|-c-|-c-|-c-|
|-b-|-b-|---|---|
所以sizeof(B)应该等于12。

而对于联合体union，相比于struct在内存上的顺序式组织，union是重叠式组织的，所以对一个union使用sizeof返回的是其最长成员的长度。

三、类和sizeof运算符

3.1 关于空类的继承：

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class A{
};

class B{
    void func();
};

class C : public A, public B{
};

对一个空类使用sizeof结果为1，因为即使是空类，也需要在内存中占用一定位置，否则就不可寻址了，这是编译器做的一步特殊处理。所以sizeof(A)的结果为1。对于一个只有普通函数，没有成员变量的类使用sizeof，结果仍为1，因为类的普通函数不会占用类的每个实例的空间。所以sizeof(B)的结果为1。对一个多重继承的空类使用sizeof，输出仍然为1。所以sizeof(C)的结果为1。

3.2 关于有成员变量的类的继承：

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class A{
    int a;
};

class B{
    int b;
};

class C : public A, public B{
    int c;
};

在上面这种情况下，C的实例不仅要存储自身定义的成员变量，还要存储其父类定义的成员变量。所以sizeof(C)的结果为12。

3.3 关于有虚函数的类：

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class A{
    virtual int func();
};

class B{
    virtual int func1();
    virtual int func2();
};

class C : public A, public B{
};

有虚函数的类会保存一个指向虚表的指针，在32位机器上指针的大小为4，所以sizeof(A)的结果为4。一个类无论有多少个虚函数，都只有一张虚表，所以sizeof(B)的结果也是4。而如果一个类有多重继承，那么它就会保存多张虚表。在上面的例子中，C的实例保存了两张虚表，每张虚表的大小是4，所以sizeof(C)的结果为8。

3.4 关于有static成员变量的类：

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class A{
    int a;
    static int b;
};

静态成员变量是存放在全局数据区的，而sizeof运算符只计算栈中分配的大小，所以静态成员变量不会计算在内。sizeof(A)的结果为4。

四、sizeof和strlen的区别与联系

  • 首先，sizeof是运算符，而strlen是函数。
  • 其次，sizeof可以作用于变量名、类型名、表达式或者函数；而strlen只能使用char类型字符串做参数，且必须是以\0结尾。对于一个char数组，sizeof返回的是该数组的总大小，而strlen返回的是该数组实际对应的字符串的长度（末尾的\0不计算在内）；对于一个char*字符串，sizeof在32位机器上恒定返回4，而strlen仍然返回字符串的实际长度。
  • 最后，大部分程序在编译阶段做类型检测的时候就把sizeof的值计算过了（参考如下代码），而strlen必须是运行时才会计算出来。
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int x = 0;

int add(){
    return x++;
}

int main(){
    sizeof(add());
    sizeof(x = 6);
    int a[sizeof x];
}

上述代码中，在main函数的第一行，sizeof(add())会在编译时刻被替换为sizeof(int)然后得出结果4，不需要在运行时调用add函数。同理，x=6这句表达式也是不被执行的。所以在这两个表达式执行完成后，x的值仍然为0。另外，由于在编译时刻已经确定了值，所以sizeof的结果可以被用来作为定义静态数组的维数。

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