iOS底层 - 内存字节的对齐规则

要了解内存对齐的规则，首先我们要先知道什么是内存对齐。

内存字节对齐的概念：

计算机中内存空间是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是：在访问特定类型变量的时候通常在特定的内存地址访问，这就需要对这些数据在内存中存放的位置有限制，各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
内存对齐是编译器的管辖范围。表现为：编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

内存对齐的好处

各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取,而不是内存中任意地址都是可以读取的。
比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。
所以在访问一些数据时，对于访问未对齐的内存，处理器可能需要进行多次访问；而对于对齐的内存，只需要访问一次就可以。对齐不仅便于CPU快速访问，同时合理的利用字节对齐可以有效地节省存储空间。

数据类型的大小规则

因为内存对齐要求各种数据类型按照一定的规则排列，那么我们就最少需要知道各种数据类型在32位和64位操作系统下的大小规则，如下图：

数据类型大小规则.png

内存字节对齐规则

一：结构体中的元素是按照定义的顺序一个一个放到内存中去的，不是我们想的紧密排列的那样。从结构体存储的首地址开始，每个元素放到内存中时，都是以当前元素的大小来划分的，因此放置的起始地址一定要是当前元素的整数倍上。
二：当按照规则一计算出总长度后，需要判断这个总长度是否是 struct 中最宽元素的长度 n 的整数倍。如果不满足，则要补齐为最宽长度 n 的整数倍。
三：如果 struct A 中含包含 struct B 元素，则 struct B 的起始地址必须是 struct B 中的最宽元素的整数倍。

下面我们结合这几点规则来看几个案例

typedef struct {
    char a;
    int b;
    char c;
    double d;
} AStruct;

sizeof(AStruct) = 24

内存分布1.png

按照上面的大小规则，a是char型，大小为1，所以在位置0，b为int，长度为 4 个字节,按照规则一，所以b要从位置4开始，占据4，5，6，7四个位置，c在位置8，d长度为8个字节，所以就要从16开始，占据16～23，这是总大小有24个字节，24正好是整个结构体中最长长度8字节的整数倍，所以整个结构体a的大小就是24

typedef struct {
    char a;
    char b;
    int c;
} AStruct;

typedef struct {
    char d;
    AStruct A;
    char e;
} BStruct;

sizeof(AStruct) = 8;
sizeof(BStruct) = 16;

内存分布2.png

同上，d为char型，长度为1，因此在位置0，AStruct中最长的长度为4，按照规则三，所以AStruct的起始位置就是4，a在位置4，b在位置5，c按照规则一，在位置8～11，e则在位置12。此时总大小为13个字节，不满足规则二，即不是最宽长度4的整数倍，所以要补齐到16，也就如上图所示，BStruct总大小为16个字节，内存分布在0～15的位置上。