深入理解sizeof()：指针、数组、结构体和类中的陷阱详解

在C/C++编程中，sizeof()操作符是一个看似简单但实则充满陷阱的工具。它用于计算对象或类型所占内存的字节数，但在不同场景下的行为却大相径庭。许多开发者，尤其是初学者，常常因为对其理解不够深入而写出错误的代码。本文将全面剖析sizeof()在应用于指针、数组、结构体和类时的各种行为，揭示其中的常见错误，帮助大家完全掌握它。

二、sizeof()基础

2.1、sizeof的本质

sizeof()是C/C++中的一个操作符(operator)，而非函数。它的返回值类型是size_t，在头文件中被定义为unsigned int类型。这个操作符在编译时而非运行时求值，这意味着它的结果在编译阶段就已经确定。

2.2、sizeof()基本语法

sizeof(类型)  // 必须加括号

使用示例：

int a;
sizeof(int);  // 正确
sizeof a;     // 正确但不推荐
sizeof int;   // 错误，类型必须加括号

三、指针与sizeof

3.1、指针的基本行为

指针在32位系统中占4字节，在64位系统中占8字节，无论它指向什么类型的数据。这是许多初学者容易混淆的地方。

char* ss = "0123456789";
sizeof(ss);   // 32位系统返回4，64位系统返回8
sizeof(*ss);  // 返回1，因为*ss是char类型

3.2、常见误区

误区一：认为sizeof(指针)会返回指向内容的大小。

int* ptr = new int[100];
sizeof(ptr);  // 返回4或8，而不是400

误区二：试图用sizeof计算动态分配数组的长度。

char* p = malloc(100);
sizeof(p);    // 仍然是4或8，无法得到分配的内存大小

四、数组与sizeof

4.1、数组的基本行为

当sizeof应用于数组名时，它会返回整个数组占用的字节数，而不是指针的大小。

char ss[] = "0123456789";  // 包含'\0'共11个字符
sizeof(ss);  // 返回11

4.2、数组长度计算技巧

常用计算数组元素个数的方法：

int arr[100];
int count = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 正确计算元素个数

4.3、常见陷阱

陷阱一：数组作为函数参数传递时会退化为指针。

void func(char arr[100]) {
    sizeof(arr);  // 返回指针大小，不是100
}

陷阱二：部分初始化数组时的误解。

int ss[100] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
for(int i=0; i<sizeof(ss)/sizeof(int); i++) {
    // 会循环100次，而不是9次
}

五、结构体与类中的sizeof

5.1 、内存对齐原则

·为了CPU访问效率，编译器会对结构体和类进行内存对齐（Data Alignment）。对齐规则如下：

每个成员的偏移量必须是该成员大小的整数倍
整个结构体的大小必须是最大成员大小的整数倍

struct Example {
    char a;    // 1字节
    int b;     // 4字节
    short c;   // 2字节
};
// sizeof(Example) 在大多数系统中为12

5.2、类的大小计算

类的大小计算需要考虑：

非静态成员变量
内存对齐
虚函数表指针（如果有虚函数）

class X {
    int i;     // 4
    int j;     // 4
    char k;    // 1
};
// sizeof(X) 通常是12（考虑对齐）

5.3、继承与虚函数的影响

class Base {
    virtual void foo() {}
};
class Derived : public Base {
    int x;
};
// sizeof(Base) 通常包含虚表指针（4或8字节）
// sizeof(Derived) 包含基类部分和新增成员

六、特殊场景分析

6.1、函数与sizeof

sizeof不能直接用于函数类型，但可以用于函数返回值：

short func() { return 0; }
sizeof(func());  // 返回sizeof(short)
sizeof(func);    // 编译错误

6.2、不完全类型

sizeof不能用于不完全类型（incomplete type）：

extern int arr[];  // 不完全类型
sizeof(arr);       // 编译错误

6.3、位域

sizeof不能用于位域成员：

struct {
    unsigned int a : 4;
};
sizeof(a);  // 错误

七、sizeof与strlen的区别

特性	sizeof	strlen
类型	操作符	函数
参数	类型或变量	必须是char*
计算时机	编译时	运行时
包含'\0'	是	否
数组行为	返回整个数组大小	返回字符串长度

八、跨平台注意事项

指针大小：32位和64位系统不同
基本类型大小：不同平台可能有差异
对齐规则：不同编译器可能有不同实现
位域处理：实现定义行为

最佳实践：永远不要假设类型的大小，使用sizeof获取实际大小。

九、实际应用技巧

9.1、安全的内存操作

// 安全的memset使用
SomeStruct s;
memset(&s, 0, sizeof(s));

9.2、泛型编程中的应用

template<typename T, size_t N>
size_t array_size(T (&)[N]) {
    return N;
}

9.3、调试与断言

static_assert(sizeof(int) == 4, "int must be 4 bytes");

十、总结

明确目的：确定你需要的是内存大小还是元素数量
区分指针和数组：数组名在大多数情况下会退化为指针
考虑对齐：结构体和类的大小可能大于成员总和
跨平台思维：不要假设类型大小
编译时检查：使用static_assert验证假设
文档化假设：对大小敏感的代码要添加注释

sizeof是一个强大的工具，但只有深入理解它的行为，才能避免陷入各种陷阱，写出健壮可靠的代码。通过深入理解sizeof的各种行为，开发者可以避免许多常见的错误，写出更加健壮和可移植的代码。