C/C++ sizeof 運算子全方位深度解析：從基本型別到類別佈局

sizeof 是 C/C++ 核心運算子，編譯期計算型別或運算式的位元組大小，回傳 size_t。本文系統涵蓋基本型別、指標、陣列、結構體/類別對齊、虛函式表、空類別等進階主題，並對比 C/C++ 差異。

語法與基本特性

sizeof(type)      // 型別需括號
sizeof expr       // 運算式可無括號，不求值
sizeof var        // 變數可無括號

• C: 僅編譯期計算 (C99 VLA 例外)。
• C++: 樣板元編程中常用於型別特徵萃取。
• 不求值特性：sizeof(func()) 不會呼叫 func()，只取回傳型別大小。

基本型別與指標

陣列與退化

int a[10];
sizeof(a);           // 40 (完整陣列大小)
sizeof(a[0]);        // 4 (單元素大小)
int *p = a;
sizeof(p);           // 4/8 (指標大小)
sizeof(*p);          // 4 (指向型別大小)

void func(int arr[10]) {
    sizeof(arr);     // 4/8 ! 參數退化為指標
}

結構體對齊鐵律 (C/C++ 共通)

三大準則：

1. 結構體起始位址能被最寬基本成員大小整除。
2. 每個成員相對起始位址的偏移量為其大小倍數 (編譯器插入內部填充)。
3. 結構體總大小為最寬基本成員大小的倍數 (末尾填充)。

struct S1 { char c; int i; };     // 1 + 3填充 + 4 = 8
struct S2 { int i; char c; };     // 4 + 1 + 3填充 = 8
struct S3 { char c1; S1 s; char c2; }; // 1 + 3填充 + 8 + 1 + 3填充 = 16

工具：offsetof(S, member) 取得成員偏移量 (編譯期常數)。

C++ 類別大小進階

• 非靜態資料成員：計入大小，遵循對齊規則。
• 靜態資料成員：不計入，屬於類別而非物件。
• 非虛函式 (含 static)：不計入，屬於類別程式碼區。
• 虛函式：引入 vptr (虛函式表指標)，通常 +4/+8 位元組。
• 虛繼承：引入 vbptr 或擴展 vptr，大小增加更複雜。
• 空類別：大小為 1 (確保不同物件有唯一位址)。

class A { int a; float b; char c; };          // 12 (對齊)
class B { static int s; int a; };             // 4 (s不計入)
class C { virtual void f(); int a; };         // 8/16 (vptr + a + 填充)
class D : virtual public C { int d; };        // 複雜，含 vbptr

實用技巧與最佳實踐

1. 陣列元素數：sizeof(arr)/sizeof(arr[0]) (僅適用非退化陣列)。
2. 型別安全 malloc：p = malloc(n * sizeof(*p))。
3. 編譯期斷言：static_assert(sizeof(T) == 16, "layout changed");。
4. 壓縮對齊：#pragma pack(1) 或 `__attribute__((packed))`，慎用 (可能降低存取效能、觸發硬體異常)。
5. 跨平台序列化：勿直接傳輸結構體記憶體，必須逐欄位編碼 (處理端序、對齊、型別大小差異)。