iOS 内存对齐原理

获取内存大小

第一种:sizeof

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.

• sizeof是C/C++中的一個操作符(operator)，简单的说其作用就是返回一个对象或者类型所占的内存字节数。
• 功能:对象或类型所占的字节数

第二种:class_getInstanceSize

• 是runtime提供的api，用于获取类的实例对象所占用的內存大小 ，并返回具体的字节数，其本质就是获取实例对象中成员变量的內存大小
• 分析可以看此篇cls->instanceSize:计算所需內存大小

alloc&init原理

第三種:malloc_size

• 获取系统实际分配的內存大小

測試

• 首先創建一個類

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;

@end

• main.m文件

#import 
#import "AppDelegate.h"
#import "Person.h"
#import 
#import 

int main(int argc, char * argv[]) {
 @autoreleasepool {
     Person *p1 = [[Person alloc] init];
     NSLog(@"p1对象类型占用的内存大小：%lu",sizeof(p1));
     NSLog(@"p1对象实际占用的内存大小：%lu",class_getInstanceSize([p1 class]));
     NSLog(@"p1对象实际分配的内存大小：%lu",malloc_size((__bridge const void *)(p1)));
 }
 return 0;
}

• 打印结果

p1对象类型占用的内存大小：8
p1对象实际占用的内存大小：24
p1对象实际分配的内存大小：32

为什么

• 为什么p1對象類型是佔用8字節？
  • 答:因为对象的本质是结构体指针，而指针占的是8个字节。
• 为什么对象实际占用24字节，不是20吗？isa(8字节)+NSString *name(8字节)+int age(4字节)
  • 答:确实字节大小共为20字节，但是依照內存对齐原则进行了字节补齐，所以补齐到了24字节(3个8字节放得下)。
• 为什么对象实际分配是32字节？
  • 答:malloc_size是系統分配的大小，以16字节对齐，大小20个字节要32字节(兩个16字节放得下)。

结构体内存对齐规则

• 每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序員可以通過预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。在iOS中，Xcode默认为#pragma pack(8)，即8字节对齐。

规则一

• 数据成员对齐规则：结构体或者联合体的第一個成員放在offset为0的地方，以后每个数据成员存儲的起始位置要从該成員的大小或者該成員的子成員的大小的整數倍开始

规则二

• 结构体作为成员：如果一个结构体A中有结构体B作为子成員，B中存放有char，int，double等元素，那么B应该从double也就是8的整数倍开始存储

规则三

• 结构体的总体大小，即sizeof的結果，必须是其內部最大成員的整數倍，不足的需要补齐.

內存对齐的原因

• 效能提升

  未对齐的內存，处理器需要作两次內存访问；而对齐的內存访问仅需要一次访问。最重要的是提高內存系統的性能。

• 对应各家平台

  不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则拋出硬件异常。

数据类型对应的字节数表格

数据类型对应的字节数

范例一

struct StructA {
    double a;   // 8 (0-7)
    char b;     // 1 [8 1] (8)
    int c;      // 4 [9 4] 9 10 11 (12 13 14 15)
    short d;    // 2 [16 2] (16 17)
} strA;
struct StructB {
    double a;   //8 (0-7)
    int b;      //4 (8 9 10 11)
    char c;     //1 (12)
    short d;    //2 13 (14 15) - 16
} strB;

// 輸出
NSLog(@"strA = %lu，strB = %lu", sizeof(strA), sizeof(strB));
strA = 24，strB = 16

• 由下图，可以看到StructA&StructB內存对齐情況

  
  

详解:

strutA:

• double a:占8个字节，即从0-7儲存double a 。
• char b:佔1个字节，8/1=8...0，即从8儲存char a。
• int c:占4个字节，9/4=2...1，有余数就不能整除，继续往后移動，找到12/4=3...0 ，即从12-15儲存int c。
• short d:佔2个字节，16/2 = 8...0，即從16-17儲存short d 。
• 所以StructA需要的大小为15个字节，StructA最大变量的字节数为8，实际內存必須是8的整數倍，17向上取整到24，所以sizeof(StructA) 的结果是 24

strutB:

• double a:佔8个字节，即从0-7儲存double a 。
• int b:佔4个字节，8/4=2...0，即从8-11儲存int b 。
• char c:佔1个字节，12/1=0，即从12儲存char c 。
• short d:佔2个字节，13/2 = 6...1，即從14-15儲存short d 。
• 所以StructB需要的大小为15个字节，StructA最大变量的字节数为8，实际內存必須是8的整數倍，16是8的整數倍，所以sizeof(StructA) 的结果是 16

范例二:

结构体嵌套结构体

struct StructA {
    double a;   // 8字節
    char b;     // 1字節 
    int c;      // 4字節 
    short d;    // 2字節 
} strA;
struct StructB {
    double a;   //8字節 
    int b;      //4字節 
    char c;     //1字節
    short d;    //2字節 
} strB;
struct StructC {
   double a;   //8字節
   int b;      //4字節
   char c;     //1字節
   short d;    //2字節
struct StructB str;    //16字節
} strC;

// 輸出
NSLog(@"strA = %lu，strB = %lu，strC = %lu", sizeof(strA), sizeof(strB), sizeof(strC));
strA = 24，strB = 16，strC = 32

詳解

structC

• double a:佔8个字节，即从0-7儲存double a 。
• int b:佔4个字节，8/4=2...0，即从8-11儲存int b 。
• char c:佔1个字节，12/1=0，即从12儲存char c 。
• short d:佔2个字节，13/2 = 6...1，即從14-15儲存short d 。
• 结构体Ｂ：结构体Ｂ中最大变量的字节数为8，所以str要从8的整數倍开始，當前是从16开始，16是8的整數倍，符合內存对齐原則，所以16-31 存储 结构体Ｂ

内存优化（属性重排）

通过刚刚范例，我們可以得出一個结论，结构体內存大小与结构体成源內存大小的顺序有关

下面來了一個例子說明苹果属性重排，即內存优化

• 定义一个类，并定义一些属性

@interface LGPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) long height;

@property (nonatomic) char c1;
@property (nonatomic) char c2;
@end

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
       LGPerson *p1 = [LGPerson alloc];
        p1.name      = @"Cooci";
        p1.nickName  = @"帥哥";
        p1.age       = 18;
        p1.c1        = 'a';
        p1.c2        = 'b';

        LGPerson *p2 = [p1 init];
        p2.name      = @"C.C";
        p2.nickName  = @"美女";
        p2.age       = 18;
        p2.c1        = 'a';
        p2.c2        = 'b';
    }
    return 0;
}

• 断点调试，根据LGPerson的对象地址，查找出属性的值。

  
  

• 通过地址找出 name & nickName

  
  
  
  

  注意：可以看到原本把Cocci赋值給name ，改成了C.C，因为这里只创建了一個對象。

alloc&init原理

• 我们通过0x0000001200006261地址找出age等数据时，发现是乱码，这里无法找出值的原因是苹果针对age、c1、c2属性的内存进行了重排，因為age类型占4个字节，c1和c2类型char分別佔1個个字节，通過4+1+1的方式，按照8字节对齐，不足补齐的方式存储在同一块内存中。
• age的读取值为0x00000012
• c1的读取值为0x62 (98为ASCII编码)

• c2的读取值为0x61(97为ASCII编码)

  
  

• 以下为p1對象在堆区中的排列情況

  
  

总结-內存对齐：

內存是通過固定的内存块进行读取
苹果会自动对属性依据原则进行重排，进行内存优化