sizeof與offsetof在程序中經(jīng)常遇到，但在面試中其應(yīng)用使得許多小伙伴吃閉門羹，被面試官問得啞口無(wú)言。接下來(lái)對(duì)兩者的應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

關(guān)于sizeof

定義

sizeof乃C/C++中的一個(gè)操作符(operator), 簡(jiǎn)單的說(shuō)其作用就是返回一個(gè)對(duì)象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。(MSDN上的解釋為：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.)

其返回值類型size_t,依賴于編譯系統(tǒng)的值,一般在頭文件stddef.h中定義為typedef unsigned int size_t;

世上編譯器林林總總，但作為一個(gè)規(guī)范，它們都會(huì)保證char、signed char和unsigned char的sizeof值為1，畢竟char是我們編程能用的最小數(shù)據(jù)類型。

語(yǔ)法

sizeof有三種語(yǔ)法形式，如下：

• sizeof( object ); // sizeof( 對(duì)象 );
• sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
• sizeof object; // sizeof 對(duì)象;

為了減少腦力勞動(dòng)，最好只記一種通用方式。實(shí)際上，sizeof計(jì)算對(duì)象的大小也是轉(zhuǎn)換成對(duì)對(duì)象類型的計(jì)算，也就是說(shuō)，同種類型的不同對(duì)象其sizeof值都是一致的。這里，對(duì)象可以進(jìn)一步延伸至表達(dá)式，即sizeof可以對(duì)一個(gè)表達(dá)式求值，編譯器根據(jù)表達(dá)式的最終結(jié)果類型來(lái)確定大小，一般不會(huì)對(duì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。如：

• sizeof( 2 );// 2的類型為int，所以等價(jià)于 sizeof( int );
• sizeof( 2 + 3.14 ); // 3.14的類型為double，2也會(huì)被提升成double類型，所以等價(jià)于 sizeof( double );

sizeof也可以對(duì)一個(gè)函數(shù)調(diào)用求值，其結(jié)果是函數(shù)返回類型的大小，函數(shù)并不會(huì)被調(diào)用，我們來(lái)看一個(gè)完整的例子：

char foo() {printf("foo() has been called.\n");return 'a'; } int main() {size_t sz = sizeof( foo() ); // foo() 的返回值類型為char，所以sz = sizeof(char)，foo()并不會(huì)被調(diào)用printf("sizeof( foo() ) = %d\n", sz);return 0; }

C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，函數(shù)、不能確定類型的表達(dá)式以及位域(bit-field)成員不能被計(jì)算sizeof值，即下面這些寫法都是錯(cuò)誤的：

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

sizeof的常量性

sizeof的計(jì)算發(fā)生在編譯時(shí)刻，所以它可以被當(dāng)作常量表達(dá)式使用，如：

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

最新的C99標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定sizeof也可以在運(yùn)行時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，如下面的程序在Dev-C++中可以正確執(zhí)行：

int n; n = 10; // n動(dòng)態(tài)賦值 char ary[n]; // C99也支持?jǐn)?shù)組的動(dòng)態(tài)定義 printf("%d\n", sizeof(ary)); // ok. 輸出10

但在沒有完全實(shí)現(xiàn)C99標(biāo)準(zhǔn)的編譯器中就行不通了，上面的代碼在VC6中就通不過編譯。所以我們最好還是認(rèn)為sizeof是在編譯期執(zhí)行的，這樣不會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤，讓程序的可移植性強(qiáng)些。

基本數(shù)據(jù)類型的sizeof

這里的基本數(shù)據(jù)類型指short、int、long、float、double這樣的簡(jiǎn)單內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，由于它們都是和系統(tǒng)相關(guān)的，所以在不同的系統(tǒng)下取值可能不同，這務(wù)必引起我們的注意，盡量不要在這方面給自己程序的移植造成麻煩。一般的，在32位編譯環(huán)境中，sizeof(int)的取值為4。

指針變量的sizeof

學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的你應(yīng)該知道指針是一個(gè)很重要的概念，它記錄了另一個(gè)對(duì)象的地址。既然是來(lái)存放地址的，那么它當(dāng)然等于計(jì)算機(jī)內(nèi)部地址總線的寬度。所以在32位計(jì)算機(jī)中，一個(gè)指針變量的返回值必定是4(注意結(jié)果是以字節(jié)為單位)，64位系統(tǒng)中指針變量的sizeof結(jié)果為8。

指針變量的sizeof值與指針?biāo)傅膶?duì)象沒有任何關(guān)系，所有的指針變量所占內(nèi)存大小相等

數(shù)組的sizeof

數(shù)組的sizeof值等于數(shù)組所占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，如：

char a1[] = "abc"; int a2[3]; sizeof( a1 ); // 結(jié)果為4，字符 末尾還存在一個(gè)NULL終止符 sizeof( a2 ); // 結(jié)果為3*4=12(依賴于int)

一些朋友剛開始時(shí)把sizeof當(dāng)作了求數(shù)組元素的個(gè)數(shù)，現(xiàn)在，你應(yīng)該知道這是不對(duì)的，那么應(yīng)該怎么求數(shù)組元素的個(gè)數(shù)呢Easy，通常有下面兩種寫法：

int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char ); // 總長(zhǎng)度/單個(gè)元素的長(zhǎng)度 int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0] ); // 總長(zhǎng)度/第一個(gè)元素的長(zhǎng)度

寫到這里，提一問，下面的c3，c4值應(yīng)該是多少呢

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

也許當(dāng)你試圖回答c4的值時(shí)已經(jīng)意識(shí)到c3答錯(cuò)了，是的，c3!=3。這里函數(shù)參數(shù)a3已不再是數(shù)組類型，而是蛻變成指針，相當(dāng)于char* a3，為什么仔細(xì)想想就不難明白，我們調(diào)用函數(shù)foo1時(shí)，程序會(huì)在棧上分配一個(gè)大小為3的數(shù)組嗎不會(huì)！數(shù)組是“傳址”的，調(diào)用者只需將實(shí)參的地址傳遞過去，所以a3自然為指針類型(char*)，c3的值也就為4。

結(jié)構(gòu)體的sizeof

struct S1 {char c;int i; };

sizeof(s1)結(jié)果并不是想象的5.

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

原來(lái)如此，這就是傳說(shuō)中的字節(jié)對(duì)齊啊！一個(gè)重要的話題出現(xiàn)了。為什么需要字節(jié)對(duì)齊計(jì)算機(jī)組成原理教導(dǎo)我們這樣有助于加快計(jì)算機(jī)的取數(shù)速度，否則就得多花指令周期了。為此，編譯器默認(rèn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行處理(實(shí)際上其它地方的數(shù)據(jù)變量也是如此)，讓寬度為2的基本數(shù)據(jù)類型(short等)都位于能被2整除的地址上，讓寬度為4的基本數(shù)據(jù)類型(int等)都位于能被4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個(gè)數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié)，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長(zhǎng)了。

讓我們交換一下S1中char與int的位置：

struct S2 {int i;char c; };

看看sizeof(S2)的結(jié)果為多少，怎么還是8再看看內(nèi)存，原來(lái)成員c后面仍然有3個(gè)填
充字節(jié)，這又是為什么啊別著急，下面總結(jié)規(guī)律。

字節(jié)對(duì)齊的細(xì)節(jié)和編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān)，但一般而言，滿足三個(gè)準(zhǔn)則：

• 結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；
• 結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量(offset)都是成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)(internal adding)；
• 結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)(trailing padding)。

對(duì)于上面的準(zhǔn)則，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明：

1) 前面不是說(shuō)結(jié)構(gòu)體成員的地址是其大小的整數(shù)倍，怎么又說(shuō)到偏移量了呢因?yàn)橛辛说?點(diǎn)存在，所以我們就可以只考慮成員的偏移量，這樣思考起來(lái)簡(jiǎn)單。想想為什么。

結(jié)構(gòu)體某個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量可以通過宏offsetof()來(lái)獲得，這個(gè)宏也
在stddef.h中定義，如下：

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

例如，想要獲得S2中c的偏移量，方法為
size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等于4

2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，這里所說(shuō)的“數(shù)據(jù)寬度”就是指其sizeof的大小。由于結(jié)構(gòu)體的成員可以是復(fù)合類型，比如另外一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所以在尋找最寬基本類型成員時(shí)，應(yīng)當(dāng)包括復(fù)合類型成員的子
成員，而不是把復(fù)合成員看成是一個(gè)整體。但在確定復(fù)合類型成員的偏移位置時(shí)則是將復(fù)合類型作為整體看待。這里敘述起來(lái)有點(diǎn)拗口，思考起來(lái)也有點(diǎn)撓頭，還是讓我們看看例子吧(具體數(shù)值仍以VC6為例，以后不再說(shuō)明)：

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

S1的最寬簡(jiǎn)單成員的類型為int，S3在考慮最寬簡(jiǎn)單類型成員時(shí)是將S1“打散”看的，所以S3的最寬簡(jiǎn)單類型為int，這樣，通過S3定義的變量，其存儲(chǔ)空間首地址需要被4整除，整個(gè)sizeof(S3)的值也應(yīng)該被4整除。c1的偏移量為0，s的偏移量呢這時(shí)s是一個(gè)整體，它作為結(jié)構(gòu)體變量也滿足前面三個(gè)準(zhǔn)則，所以其大小為8，偏移量為4，c1與s之間便需要3個(gè)填充字節(jié)，而c2與s之間就不需要了，所以c2的偏移量為12，算上c2的大小為13，13是不能被4整除的，這樣末尾還得補(bǔ)上3個(gè)填充字節(jié)。最后得到sizeof(S3)的值為16。

通過上面的敘述，我們可以得到一個(gè)公式：
結(jié)構(gòu)體的大小等于最后一個(gè)成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節(jié)數(shù)目，即：

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

到這里，朋友們應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)體的sizeof有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，但不要高興得太早，有一個(gè)影響sizeof的重要參量還未被提及，那便是編譯器的pack指令。它是用來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)體對(duì)齊方式的，不同編譯器名稱和用法略有不同，VC6中通過#pragma pack實(shí)現(xiàn)，也可以直接修改/Zp編譯開關(guān)。#pragma pack的基本用法為：#pragma pack( n )，n為字節(jié)對(duì)齊
數(shù)，其取值為1、2、4、8、16，默認(rèn)是8，如果這個(gè)值比結(jié)構(gòu)體成員的sizeof值小，那么該成員的偏移量應(yīng)該以此值為準(zhǔn)，即是說(shuō)，結(jié)構(gòu)體成員的偏移量應(yīng)該取二者的最小值，公式如下：
offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )

再看示例：

#pragma pack(push) // 將當(dāng)前pack設(shè)置壓棧保存 #pragma pack(2)// 必須在結(jié)構(gòu)體定義之前使用 struct S1 {char c;int i; }; struct S3 {char c1;S1 s;char c2 };#pragma pack(pop) // 恢復(fù)先前的pack設(shè)置

計(jì)算sizeof(S1)時(shí)，min(2, sizeof(i))的值為2，所以i的偏移量為2，加上sizeof(i)等于6，能夠被2整除，所以整個(gè)S1的大小為6。同樣，對(duì)于sizeof(S3)，s的偏移量為2，c2的偏移量為8，加上sizeof(c2)等于9，不能被2整除，添加一個(gè)填充字節(jié)，所以sizeof(S3)等于10。

還有一點(diǎn)要注意，“空結(jié)構(gòu)體”(不含數(shù)據(jù)成員)的大小不為0，而是1。試想一個(gè)“不占空間”的變量如何被取地址、兩個(gè)不同的“空結(jié)構(gòu)體”變量又如何得以區(qū)分呢于是，“空結(jié)構(gòu)體”變量也得被存儲(chǔ)，這樣編譯器也就只能為其分配一個(gè)字節(jié)的空間用于占位了。如下：

struct S5 { }; sizeof( S5 ); // 結(jié)果為1

含位域結(jié)構(gòu)體的sizeof

前面已經(jīng)說(shuō)過，位域成員不能單獨(dú)被取sizeof值，我們這里要討論的是含有位域的結(jié)構(gòu)體的sizeof，只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來(lái)。C99規(guī)定int、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對(duì)此作了擴(kuò)展，允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲(chǔ)，其大致規(guī)則為：

1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則后面的字段將緊鄰前一個(gè)字段存儲(chǔ)，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲(chǔ)單元開始，其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實(shí)現(xiàn)有差異，VC6采取不壓縮方式，Dev-C++采取壓縮方式；
4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段，則不進(jìn)行壓縮；
5) 整個(gè)結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

還是讓我們來(lái)看看例子。
示例1：

struct BF1 {char f1 : 3;char f2 : 4;char f3 : 5; };

其內(nèi)存布局為：
1112222^33333^^^

位域類型為char，第1個(gè)字節(jié)僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個(gè)字節(jié)中，而f3只能從下一個(gè)字節(jié)開始。因此sizeof(BF1)的結(jié)果為2。
示例2：

struct BF2 {char f1 : 3;short f2 : 4;char f3 : 5; };

由于相鄰位域類型不同，在VC6中其sizeof為6，在Dev-C++中為2。
示例3：

struct BF3 {char f1 : 3;char f2;char f3 : 5; };

非位域字段穿插在其中，不會(huì)產(chǎn)生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

聯(lián)合體的sizeof

結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存組織上是順序式的，聯(lián)合體則是重疊式，各成員共享一段內(nèi)存，所以整個(gè)聯(lián)合體的sizeof也就是每個(gè)成員sizeof的最大值。結(jié)構(gòu)體的成員也可以是復(fù)合類型，這里，復(fù)合類型成員是被作為整體考慮的。
所以，下面例子中，U的sizeof值等于sizeof(s)。

union U { int i; char c; S1 s; };

參考:

• sizeof的定義
• 關(guān)于C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體偏移的一些思想

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的sizeof与offsetof有关的结构体详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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