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C++中sizeof运算符全面详解和代码示例

news 2025/8/2 1:52:38

sizeof 是 C++ 中的一个编译时运算符，用于获取对象或类型所占的字节数（以 size_t 返回）。它是掌握底层内存模型、结构体对齐、数组大小计算等的重要工具。

1. 基本语法

sizeof(type)      // 获取类型的大小
sizeof expression // 获取表达式结果的大小

2. 返回值类型

sizeof 返回类型是 std::size_t（定义在 <cstddef> 中），是一个无符号整型，足以容纳系统中对象的最大可能大小。

3. 示例代码一览

#include <iostream>
#include <cstddef>int main() {int a = 5;double b = 3.14;int arr[10];std::cout << "sizeof(int): " << sizeof(int) << "\n";std::cout << "sizeof(a): " << sizeof(a) << "\n";std::cout << "sizeof(b): " << sizeof b << "\n";  // 可省略括号std::cout << "sizeof(arr): " << sizeof(arr) << "\n";std::cout << "Number of elements in arr: " << sizeof(arr) / sizeof(arr[0]) << "\n";return 0;
}

4. 结构体对齐示例（含填充字节）

#include <iostream>struct A {char c;     // 1 byteint i;      // 4 bytes
};int main() {std::cout << "sizeof(char): " << sizeof(char) << "\n";std::cout << "sizeof(int): " << sizeof(int) << "\n";std::cout << "sizeof(A): " << sizeof(A) << "\n";  // likely 8 due to padding
}

结构体 A 实际大小常常为 8，而不是 5，这是因为编译器插入了填充字节以保证成员变量对齐（称为结构体对齐或 padding）。

5. 指针和数组的区别

int arr[10];
int* p = arr;std::cout << "sizeof(arr): " << sizeof(arr) << "\n";     // 10 * sizeof(int)
std::cout << "sizeof(p): " << sizeof(p) << "\n";         // 指针大小，通常是 8（64 位系统）

6. 类的 `sizeof` 示例（含虚函数、继承）

#include <iostream>class Base {virtual void foo() {}
};class Derived : public Base {int data;
};int main() {std::cout << "sizeof(Base): " << sizeof(Base) << "\n";      // 有 vptr，通常为 8std::cout << "sizeof(Derived): " << sizeof(Derived) << "\n"; // vptr + int + padding
}

7. 注意事项

事项	说明
`sizeof` 是编译时运算	除非作用于 VLA（C99 风格，C++ 不支持），否则计算在编译期完成
对于类型无需括号	`sizeof expression` 中括号可省；`sizeof(type)` 中必须加括号
数组退化	`sizeof(arr)` 在函数参数中为指针大小，不是数组总大小
对动态分配数组无效	`sizeof(new int[10])` 得到的是指针大小，不是数组大小

8. `sizeof` 与模板配合（常用于静态断言）

template<typename T>
void check_size() {static_assert(sizeof(T) <= 8, "Type is too big!");
}

9. C++11 起的 `alignof`

#include <iostream>
#include <type_traits>struct MyStruct {char c;double d;
};int main() {std::cout << "sizeof(MyStruct): " << sizeof(MyStruct) << "\n";std::cout << "alignof(MyStruct): " << alignof(MyStruct) << "\n";
}

10、综合示例

下面是一个 跨平台结构体对齐测试工具类 的完整示例，功能如下：

显示结构体每个成员的偏移量（offsetof）；
显示结构体整体 sizeof 和 alignof；
兼容 GCC / Clang / MSVC；
可用于诊断因字节对齐（padding）带来的内存浪费。

工具类：`StructInspector`

功能说明：

使用 offsetof 获取成员偏移；
使用 sizeof 和 alignof 获取结构体大小和对齐；
可扩展支持任意结构体（通过宏注册成员）。

示例代码

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cstddef>
#include <string>
#include <type_traits>// 通用格式输出宏
#define PRINT_ALIGN_INFO(T) \std::cout << "Struct: " << #T << "\n" \<< "  Size:    " << sizeof(T) << "\n" \<< "  Alignof: " << alignof(T) << "\n\n";// 检查偏移宏（成员名必须为字符串形式）
#define PRINT_MEMBER_OFFSET(StructType, Member) \std::cout << std::setw(20) << #Member << " @ offset: " << offsetof(StructType, Member) << "\n";// -----------------------------
// 示例结构体
// -----------------------------
struct MyStruct {char    c1;double  d;int     i;char    c2;
};struct PackedStruct {char c1;char c2;int  i;
} __attribute__((packed));  // GCC/Clang 特性（MSVC: use #pragma pack）#pragma pack(push, 1)
struct MsvcPackedStruct {char c1;char c2;int i;
};
#pragma pack(pop)// -----------------------------
// 工具函数：打印结构体布局
// -----------------------------
template<typename T>
void InspectStructLayout(const std::string& name) {std::cout << "==============================\n";std::cout << "Inspecting: " << name << "\n";std::cout << "sizeof(" << name << ") = " << sizeof(T) << "\n";std::cout << "alignof(" << name << ") = " << alignof(T) << "\n";std::cout << "------------------------------\n";
}// 示例专用模板：打印具体成员偏移
void Inspect_MyStruct() {InspectStructLayout<MyStruct>("MyStruct");PRINT_MEMBER_OFFSET(MyStruct, c1);PRINT_MEMBER_OFFSET(MyStruct, d);PRINT_MEMBER_OFFSET(MyStruct, i);PRINT_MEMBER_OFFSET(MyStruct, c2);std::cout << "\n";
}void Inspect_PackedStruct() {InspectStructLayout<PackedStruct>("PackedStruct");PRINT_MEMBER_OFFSET(PackedStruct, c1);PRINT_MEMBER_OFFSET(PackedStruct, c2);PRINT_MEMBER_OFFSET(PackedStruct, i);std::cout << "\n";
}void Inspect_MsvcPackedStruct() {InspectStructLayout<MsvcPackedStruct>("MsvcPackedStruct");PRINT_MEMBER_OFFSET(MsvcPackedStruct, c1);PRINT_MEMBER_OFFSET(MsvcPackedStruct, c2);PRINT_MEMBER_OFFSET(MsvcPackedStruct, i);std::cout << "\n";
}// -----------------------------
// 主程序入口
// -----------------------------
int main() {Inspect_MyStruct();Inspect_PackedStruct();Inspect_MsvcPackedStruct();return 0;
}

示例输出（Linux + GCC）

==============================
Inspecting: MyStruct
sizeof(MyStruct) = 24
alignof(MyStruct) = 8
------------------------------c1 @ offset: 0d @ offset: 8i @ offset: 16c2 @ offset: 20==============================
Inspecting: PackedStruct
sizeof(PackedStruct) = 6
alignof(PackedStruct) = 1
------------------------------c1 @ offset: 0c2 @ offset: 1i @ offset: 2==============================
Inspecting: MsvcPackedStruct
sizeof(MsvcPackedStruct) = 6
alignof(MsvcPackedStruct) = 1
------------------------------c1 @ offset: 0c2 @ offset: 1i @ offset: 2

可扩展功能

可以封装为模板工具类，如下：

template<typename T>
struct StructAnalyzer {static void inspect(const std::vector<std::string>& member_names, const std::vector<std::size_t>& member_offsets) {std::cout << "Sizeof: " << sizeof(T) << ", Alignof: " << alignof(T) << "\n";for (size_t i = 0; i < member_names.size(); ++i)std::cout << member_names[i] << " @ offset: " << member_offsets[i] << "\n";}
};

因为 C++ 不支持反射，需要手动提供成员名与偏移。

小结

功能	实现
成员偏移计算	`offsetof(StructType, member)`
结构体大小与对齐	`sizeof`, `alignof`
跨平台结构体分析支持	`__attribute__((packed))` / `#pragma pack(1)`
填充字节检查（诊断浪费）	`offsetof` + sizeof 分析对比

总结

用法	说明
`sizeof(type)`	获取某个类型的大小
`sizeof(expr)`	获取表达式类型的大小
获取数组元素个数	`sizeof(arr) / sizeof(arr[0])`
获取结构体大小（含对齐）	`sizeof(Struct)`
与模板、`static_assert` 配合	编译时类型检查
指针大小	与指向对象大小无关