内存字节对齐

 

1. 定义：
    sizeof是何方神圣？

    sizeof 乃 C/C++ 中的一个操作符（operator）是也。简单说其作用就是返回一个对象或者类型所占的内存字节数。

MSDN上的解释为：

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.

    其返回值类型为size_t，在头文件stddef.h中定义。这是一个依赖于编译系统的值，一般定义为

typedef unsigned int size_t;

    世上编译器林林总总，但作为一个规范，它们都会保证char、signed char和unsigned char的sizeof值为1，毕竟char是我们编程能用的最小数据类型。

2. 语法：
    sizeof有三种语法形式，如下：
    1) sizeof( object );    // sizeof( 对象 );
    2) sizeof( type_name ); // sizeof( 类型 );
    3) sizeof object;       // sizeof 对象;

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

既然写法2可以用写法1代替，为求形式统一以及减少我们大脑的负担，第2种写法，忘掉它吧！

实际上，sizeof计算对象的大小也是转换成对对象类型的计算。也就是说，同种类型的不同对象其sizeof值都是一致的。

这里，对象可以进一步延伸至表达式，即sizeof可以对一个表达式求值。编译器根据表达式的最终结果类型来确定大小，一般不会对表达式进行计算。

例如：

sizeof( 2 );        // 2的类型为int，所以等价于 sizeof( int );
sizeof( 2 + 3.14 ); // 3.14的类型为double，2也会被提升成double类型，所以等价于 sizeof( double );

    sizeof也可以对一个函数调用求值，其结果是函数返回类型的大小，函数并不会被调用。我们来看一个完整的例子：

*********************************************************

char foo()
{
    printf("foo() has been called./n");
    return 'a';
}
int main()
{
    size_t sz = sizeof( foo() );   // foo() 的返回值类型为char，所以sz = sizeof(char)，但函数foo()并不会被调用
    printf("sizeof( foo() ) = %d/n", sz);
}

*********************************************************

C99标准规定，函数、不能确定类型的表达式以及位域（bit-field）成员不能被计算sizeof值，即下面这些写法都是错误的：

    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的计算发生在编译时刻，所以它可以被当作常量表达式使用。如：

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

最新的C99标准规定sizeof也可以在运行时刻进行计算。如下面的程序在Dev-C++中可以正确执行：

int n;
n = 10;        // n动态赋值
char ary[n];   // C99也支持数组的动态定义
printf("%d/n", sizeof(ary)); // ok. 输出10

但在没有完全实现C99标准的编译器中就行不通了，上面的代码在VC6中就通不过编译。所以我们最好还是认为sizeof是在编译期执行的，这样不会带来错误，让程序的可移植性强些。

4. 基本数据类型的sizeof

这里的基本数据类型指short、int、long、float、double这样的简单内置数据类型。由于它们都是和系统相关的，所以在不同的系统下取值可能不同。这务必引起我们的注意，尽量不要在这方面给自己程序的移植造成麻烦。

一般的，在32位编译环境中，sizeof(int)的取值为4。

5. 指针变量的sizeof

学过数据结构的你应该知道指针是一个很重要的概念，它记录了另一个对象的地址。既然是来存放地址的，那么它当然等于计算机内部地址总线的宽度。所以在32位计算机中，一个指针变量的返回值必定是4（注意结果是以字节为单位）。可以预计，在将来的64位系统中指针变量的sizeof结果为8。

*********************************************************

char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)(); // 函数指针
sizeof( pc ); // 结果为4
sizeof( pi ); // 结果为4
sizeof( ps ); // 结果为4
sizeof( ppc );// 结果为4
sizeof( pf ); // 结果为4

*********************************************************

指针变量的sizeof值与指针所指的对象没有任何关系，正是由于所有的指针变量所占内存大小相等，所以MFC消息处理函数使用两个参数WPARAM、LPARAM就能传递各种复杂的消息结构（使用指向结构体的指针）。

6. 数组的sizeof

数组的sizeof值等于数组所占用的内存字节数，如：

char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 结果为4，字符 末尾还存在一个NULL终止符
sizeof( a2 ); // 结果为3*4=12（依赖于int）

一些朋友刚开始时把sizeof当作了求数组元素的个数，现在，你应该知道这是不对的。那么应该怎么求数组元素的个数呢？

Easy，通常有下面两种写法：

int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char );    // 总长度/单个元素的长度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0]);    // 总长度/第一个元素的长度

写到这里，提一问，下面的c3，c4值应该是多少呢？

*********************************************************

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

*********************************************************

也许当你试图回答c4的值时已经意识到c3答错了，是的，c3!=3。

这里函数参数a3已不再是数组类型，而是蜕变成指针。相当于char* a3，为什么仔细想想就不难明白。

我们调用函数foo1时，程序会在栈上分配一个大小为3的数组吗？不会！

数组是“传址”的，调用者只需将实参的地址传递过去，所以a3自然为指针类型（char*），c3的值也就为4。

7. 结构体的sizeof

这是初学者问得最多的一个问题，所以这里有必要多费点笔墨。让我们先看一个结构体：

struct S1
{
    char c;
    int i;
};

问sizeof(s1)等于多少？

聪明的你开始思考了，char占1个字节，int占4个字节，那么加起来就应该是5。

是这样吗？

你在你机器上试过了吗？

也许你是对的，但很可能你是错的！

VC6中按默认设置得到的结果为8。

    Why？为什么受伤的总是我？

请不要沮丧，我们来好好琢磨一下sizeof的定义 —— sizeof的结果等于对象或者类型所占的内存字节数。好吧，那就让我们来看看S1的内存分配情况：

S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };

定义上面的变量后，加上断点，运行程序，观察s1所在的内存，你发现了什么？

以我的VC6.0为例，s1的地址为0x0012FF78，其数据内容如下：

0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF

发现了什么？怎么中间夹杂了3个字节的CC？

看看MSDN上的说明：

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

原来如此，这就是传说中的字节对齐啊！一个重要的话题出现了。

为什么需要字节对齐？

计算机组成原理教导我们，这样有助于加快计算机的取数速度，否则就得多花指令周期了。

为此，编译器默认会对结构体进行处理（实际上其它地方的数据变量也是如此），让宽度为2的基本数据类型（short等）都位于能被2整除的地址上，让宽度为4的基本数据类型（int等）都位于能被4整除的地址上。以此类推，这样，两个数中间就可能需要加入填充字节，所以整个结构体的sizeof值就增长了。

让我们交换一下S1中char与int的位置：

struct S2
{
    int i;
    char c;
};

看看sizeof(S2)的结果为多少？怎么还是8。

再看看内存，原来成员c后面仍然有3个填充字节。

这又是为什么啊？别着急，下面总结规律。

    字节对齐的细节和编译器实现相关，但一般而言，满足三个准则：
    1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
    2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
    3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。

    对于上面的准则，有几点需要说明：
1) 前面不是说结构体成员的地址是其大小的整数倍，怎么又说到偏移量了呢？

因为有了第1点存在，所以我们就可以只考虑成员的偏移量，这样思考起来简单。想想为什么。

结构体某个成员相对于结构体首地址的偏移量可以通过宏offsetof()来获得，这个宏也在stddef.h中定义，如下：

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

例如，想要获得S2中c的偏移量，方法为

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

2) 基本类型是指前面提到的像char、short、int、float、double这样的内置数据类型。这里所说的“数据宽度”就是指其sizeof的大 小。由于结构体的成员可以是复合类型，比如另外一个结构体，所以在寻找最宽基本类型成员时，应当包括复合类型成员的子成员，而不是把复合成员看成是一个整 体。但在确定复合类型成员的偏移位置时则是将复合类型作为整体看待。

这里叙述起来有点拗口，思考起来也有点挠头，还是让我们看看例子吧（具体数值仍以VC6为例，以后不再说明）：

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

S1的最宽简单成员的类型为int，S3在考虑最宽简单类型成员时是将S1“打散”看的，所以S3的最宽简单类型为int。这样，通过S3定义的变量，其存储空间首地址需要被4整除，整个sizeof(S3)的值也应该被4整除。

c1的偏移量为0，s的偏移量呢？这时s是一个整体，它作为结构体变量也满足前面三个准则，所以其大小为8，偏移量 为4，c1与s之间便需要3个填充字节，而c2与s之间就不需要了，所以c2的偏移量为12，算上c2的大小为13，13是不能被4整除的，这样末尾还得 补上3个填充字节。最后得到sizeof(S3)的值为16。

    通过上面的叙述，我们可以得到一个公式：
    结构体的大小等于最后一个成员的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字节数目，即：

sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

 

8.类的sizeof

 

类的sizeof值等于类中成员变量所占用的内存字节数。如：

****************************************************************

 

class A
{
 public:
     int b;
     float c;
     char d;
};

int main(void)
{
  A object;
  cout << "sizeof(object) is " << sizeof(object) << endl;
  return 0 ;
}

 

***************************************************************

 

 

输出结果为12（我的机器上sizeof(float)值为4，字节对其前面已经讲过）。

 

不过需要注意的是，如果类中存在静态成员变量，结果又会是什么样子呢？

 

***************************************************************

class A
{
 public:
     static int a;
     int b;
     float c;
     char d;
};

int main()
{

  A object;
  cout << "sizeof(object) is " << sizeof(object) << endl;
  return 0 ;
}

 

**************************************************************

 

 

16？不对。结果仍然是12.

因为在程序编译期间，就已经为static变量在静态存储区域分配了内存空间，并且这块内存在程序的整个运行期间都存在。

而每次声明了类A的一个对象的时候，为该对象在堆上，根据对象的大小分配内存。

 

如果类A中包含成员函数，那么又会是怎样的情况呢？看下面的例子

 

*************************************************************

class A
{
 public:
     static int a;
     int b;
     float c;
     char d;
     int add(int x,int y)
     {
       return x+y;
     }
};

int main()
{
  A object;
  cout << "sizeof(object) is " << sizeof(object) << endl;
  b = object.add(3,4);
  cout << "sizeof(object) is " << sizeof(object) << endl;
  return 0 ;
}

 

***************************************************************

 

结果仍为12。

 

因为只有非静态类成员变量在新生成一个object的时候才需要自己的副本。

所以每个非静态成员变量在生成新object需要内存，而function是不需要的。

 

 

注：C++中的多态和虚继承也是非常重要的东西，不过比较复杂，编译器不同，细节也有所不同。 

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朋友帖了如下一段代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa;
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestB);
　　这里nSize结果为12，在预料之中。

　　现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestC);
　　按照正常的填充方式nSize的结果应该是8，为什么结果显示nSize为6呢？

事实上，很多人对#pragma pack的理解是错误的。
#pragma pack规定的对齐长度，实际使用的规则是：
结构，联合，或者类的数据成员，第一个放在偏移为0的地方，以后每个数据成员的对齐，
按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
也就是说，当#pragma pack的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个值的大小将不
产生任何效果。
而结构整体的对齐，则按照结构体中最大的数据成员 和 #pragma pack指定值 之间，较小
的那个进行。

具体解释
#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以
这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以
放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
这个类实际占据的内存空间是9字节
类之间的对齐，是按照类内部最大的成员的长度，和#pragma pack规定的值之中较小的一
个对齐的。
所以这个例子中，类之间对齐的长度是min(sizeof(int),4)，也就是4。
9按照4字节圆整的结果是12，所以sizeof(TestB)是12。

如果
#pragma pack(2)
    class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以
这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以
放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
//可以看出，上面的位置完全没有变化，只是类之间改为按2字节对齐，9按2圆整的结果是
10。
//所以 sizeof(TestB)是10。

最后看原贴：
现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;//第一个成员，放在[0]偏移的位置，
　　　　short b;//第二个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以
放在偏移[2,3]的位置。
　　　　char c;//第三个，自身长为1，放在[4]的位置。
　　};
//整个类的大小是5字节，按照min(sizeof(short),4)字节对齐，也就是2字节对齐，结果
是6
//所以sizeof(TestC)是6。

感谢 Michael 提出疑问，在此补充：

当数据定义中出现__declspec( align() )时，指定类型的对齐长度还要用自身长度和这里
指定的数值比较，然后取其中较大的。最终类/结构的对齐长度也需要和这个数值比较，然
后取其中较大的。

可以这样理解， __declspec( align() ) 和 #pragma pack是一对兄弟，前者规定了对齐
的最小值，后者规定了对齐的最大值，两者同时出现时，前者拥有更高的优先级。
__declspec( align() )的一个特点是，它仅仅规定了数据对齐的位置，而没有规定数据实
际占用的内存长度，当指定的数据被放置在确定的位置之后，其后的数据填充仍然是按照
#pragma pack规定的方式填充的，这时候类/结构的实际大小和内存格局的规则是这样的：

在__declspec( align() )之前，数据按照#pragma pack规定的方式填充，如前所述。当遇
到__declspec( align() )的时候，首先寻找距离当前偏移向后最近的对齐点（满足对齐长
度为max(数据自身长度,指定值) )，然后把被指定的数据类型从这个点开始填充，其后的
数据类型从它的后面开始，仍然按照#pragma pack填充，直到遇到下一个__declspec( al
ign() )。
当所有数据填充完毕，把结构的整体对齐数值和__declspec( align() )规定的值做比较，
取其中较大的作为整个结构的对齐长度。
特别的，当__declspec( align() )指定的数值比对应类型长度小的时候，这个指定不起作
用。