C语言是一种基于计算机硬件的高级编程语言,它在处理底层硬件方面非常强大。在C语言中，大小统计是一个十分重要的功能，它在对一些数据类型进行内存管理时发挥着关键作用。C语言中常用的大小统计方法是“sizeof”。今天，我们就来逐步学习并理解在C语言中，如何使用sizeof来统计大小。

什么是sizeof？

sizeof是C语言中的一个关键字，它用于计算一个数据类型所占用的字节数。具体而言，可以计算数据类型、变量、数组和结构体等元素所占用的内存大小。其中，字节是计算机数据存储的最小单元，一般来说，一个字节就等于8个比特。

大小统计的用途

为什么在C语言中使用sizeof来统计数据类型的大小是如此重要呢？这主要是因为在计算机中，内存是一种宝贵的资源，而我们需要精细地管理这些资源，以确保程序运行得尽可能高效。

对于给定的数据类型，如果我们知道其大小，我们就可以决定在堆栈和堆中分配所需的内存量。这对于定义结构体和数组以及开发大型程序非常有用。例如，如果我们知道数据类型的大小，我们就可以预测数组中存储元素的数目。

使用sizeof

在C语言中，sizeof操作符有些像一个函数。它接受一个表达式作为输入，然后返回该表达式所占的内存字节数。

语法

sizeof操作符的一般语法如下所示：

sizeof (datatype)

其中datatype表示要计算其大小的数据类型，包括基本数据类型（例如int、float、double）和用户定义的数据类型（例如结构体和枚举）等。

sizeof的返回值类型是size_t。C语言中的这种类型是unsigned int类型的别名，它用于表示大小或数量的值。具体而言，size_t数据类型在不同操作系统和编译器中的大小可能有所不同，但通常它的大小都是4或8个字节。

例如，以下代码段计算了不同数据类型的大小，并将结果打印在屏幕上：

```c

#include

int main()

{

printf("Size of int: %zu bytes\n", sizeof(int));

printf("Size of char: %zu byte\n", sizeof(char));

printf("Size of float: %zu bytes\n", sizeof(float));

printf("Size of double: %zu bytes\n", sizeof(double));

return 0;

}

```

在上面的代码中，我们使用了print的格式化运算符%zu来打印sizeof的结果。

输出如下：

```c

Size of int: 4 bytes

Size of char: 1 byte

Size of float: 4 bytes

Size of double: 8 bytes

```

这意味着，在我们的计算机上，取决于编译器的设置，整数（int）数据类型将占用4个字节；字符（char）数据类型将占用1个字节；浮点数（float）数据类型将占用4个字节；双精度浮点数（double）数据类型将占用8个字节。

在sizeof操作符中，我们还可以使用指针和数组来计算它们所指向或包含的数据类型的大小。

Example 1: 计算指针所指向数据类型的大小

```c

#include

int main()

{

int a = 0;

int *p = &a;

printf("Size of pointer: %zu bytes\n", sizeof(p));

return 0;

}

```

在这个例子中，我们计算了一个指向整数（int）的指针的大小。输出如下：

```c

Size of pointer: 8 bytes

```

这意味着，该指针占用了8个字节空间（在64位操作系统上）。

Example 2: 计算数组中数据类型的大小

```c

#include

int main()

{

int arr[4] = {1, 2, 3, 4};

printf("Size of array: %zu bytes\n", sizeof(arr));

return 0;

}

```

在这个例子中，我们计算了一个有4个整数（int）元素的数组的大小。输出如下：

```c

Size of array: 16 bytes

```

这意味着，整个数组占用16个字节空间，每个整数元素占用4个字节。

结构体的大小

无论是计算基本数据类型还是数组和指针，sizeof的用法都是非常简单明了的。但是，当涉及到计算结构体的大小时，情况就会比较复杂了。因为结构体本身是一组数据类型，需要考虑结构体中每个数据类型的大小，以及它们存储的顺序和对齐方式。

在C语言中，结构体中的数据类型可能会在内存中被自动对齐。这是由于内存的访问随机性。如果访问的内存不是以一个在CPU处理器特性中所支持的方式进行了对调，它将被视为错误。因此，为了确保访问不产生错误，CPU硬件需要在读取和写入内存时，以特定方式对齐内存。

可以使用两种技术来实现结构体内数据类型的对齐：填充或复合。填充技术是指在结构体元素之间添加空字段，以使元素对齐，以便它们放置到特定的内存位置。复合技术是指在结构体元素之间紧密排列元素，同时仍然确保对齐。

然而，C语言不太可能让程序员去考虑如何对齐结构体中的数据成员。它通常会自动进行这种对齐。这是通过编译器特定的结构体布局规则来完成的。

这里让我们试着计算一下一个结构体所占的内存大小。

Example 1: 计算结构体的大小，使用填充技术

```c

#include

struct Employee1 {

char name[20];

int age;

double salary;

};

int main()

{

struct Employee1 emp1;

printf("Size of structure with padding: %zu bytes\n", sizeof(emp1));

printf("Size of name: %zu bytes\n", sizeof(emp1.name));

printf("Size of age: %zu bytes\n", sizeof(emp1.age));

printf("Size of salary: %zu bytes\n", sizeof(emp1.salary));

return 0;

}

```

在这个例子中，我们定义了一个包含char、int和double类型的结构体。对于这个结构体，一些编译器可能使用填充技术来对齐成员变量。

输出如下：

```c

Size of structure with padding: 40 bytes

Size of name: 20 bytes

Size of age: 4 bytes

Size of salary: 8 bytes

```

将这些输出结果分析以下：

结构体包含3个成员变量：char类型的name数组、int类型的age和double类型的salary。

在这个例子中，name数组占用20个字节，而int和double数据类型都分别占用4和8个字节。由于我们的编译器使用填充技术，因此它将在结构体中添加一些额外的字节以确保内存的对齐性。

掌握如何计算结构体大小是十分重要的，因为它可以让我们更好地控制内存的分配和使用。如果结构体太大，虽然有一些编译器可以通过调整对齐方式来压缩其大小，但这也意味着会增加访问结构体成员的成本。

Example 2: 计算结构体的大小，使用复合技术

现在看看一个使用复合技术计算结构体大小的例子。

```c

#include

struct Employee2 {

char name[20];

int age;

double salary;

}__attribute__((packed));

int main()

{

struct Employee2 emp2;

printf("Size of structure with no padding: %zu bytes\n", sizeof(emp2));

printf("Size of name: %zu bytes\n", sizeof(emp2.name));

printf("Size of age: %zu bytes\n", sizeof(emp2.age));

printf("Size of salary: %zu bytes\n", sizeof(emp2.salary));

return 0;

}

```

在这个例子中，我们使用了结构体_ _attribute_ _((packed))来告诉编译器不要添加额外的字节以对齐成员变量。

输出如下：

```c

Size of structure with no padding: 32 bytes

Size of name: 20 bytes

Size of age: 4 bytes

Size of salary: 8 bytes

```

可以看到，我们的输出结果不再有额外填充的字节。因此，结构体的大小现在变成了32个字节。这里还是需要注意，使用packed属性来强制压缩结构体大小，可能会导致内存访问产生问题。这一点需要仔细考虑和测试。

总结

sizeof是一个很有用的操作符，它在C语言中用于计算数据类型、变量、指针、数组和结构体等元素的大小。掌握如何使用sizeof来计算大小，对于合理地分配和管理内存非常重要。特别是在处理结构体和数组这样的复杂数据类型时，理解并注意内存对齐问题非常关键。