iOS底层之内存对齐

一、什么是内存对齐？

内存对齐是一种在计算机内存中排列数据（表现为变量的地址）、访问数据（表现为CPU读取数据）的一种方式。

它包含了两种相互独立又相互关联的部分：基本数据对齐和结构体数据对齐 。

二、为什么要进行内存对齐？

1、平台原因(移植原因)：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，否则抛出硬件异常。
2、性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

说的通俗点就是方便读取，速度快。

三、内存对齐原则：

1、数据成员对⻬规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小或者成员的子成员大小(只要该成员有子成员，比如说是数组，结构体等)的整数倍开始（比如int为4字节,则要从4的整数倍地址开始存储）。下面咱们用（m, n）来理解一下，其中m为内存的起始位置，n为当前成员的内存大小，m，n一定要满足m%n==0。

2、结构体作为成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储(struct a里存有struct b，b里有char、int 、double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储。)

3、收尾工作：结构体的总大小，也就是sizeof的结果，必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要补⻬。

各位同学，能理解上面这些原则吗，反正光看文字我是理解不了，没关系，咱们是程序员，咱们可以用代码来解释。

四、数据成员结构体内存分析

struct Struct1 {
    double a;   // 8
    char b;     // 1
    int c;      // 4
    short d;    // 2
}struct1;

struct Struct2 {
    double a;   //8
    int b;      //4
    char c;     //1
    short d;    //2
}struct2;
NSLog(@"结果为：%lu-%lu",sizeof(struct1),sizeof(struct2));

咱们来看下打印结果

 结果为：24-16

为什么会出现不同的结果呢，咱们来分析一下，不过在分析代码之前呢咱们先看下各个类型的内存大小

数据类型内存大小表

下面咱们来分析一下Struct1的结果：

首先Struct1中以double开始，在内存中的地址是0~7。
接下来是char，char占用内存大小为1字节，此时在内存中的起始地址为8，此时8%1==0表示可以从此位置开始存放char，在内存中的地址是8。
然后是int，int占用内存大小为4字节，此时在内存中的起始位置为9，但是现在9%4 != 0，所以此时只能向后移，找到一个能被4整除的数，下一个能被4整除的数是12，所以此时int的起始位置为12，长度为4字节，在内存中的地址是12~15。
最后是short，short占用内存2字节，此时内存中的起始位置为16，16%2==0成立，所以short在内存中的起始位置是16，长度为2，在内存中的地址是16~17。
由上述结果可得Struct1在内存中占用18个字节，根据内存对齐第三条原则，Struct1内部最大成员为double为8字节，所以Struct1最终占用的内存大小为24字节。由此可以得出下图：

Struct1内存分布图

同理，我们再来分析一下Struct2的结果：

首先Struct2中以double开始，在内存中的地址是0~7。
然后是int，int占用内存大小为4字节，此时在内存中的起始位置为8，8%4 == 0等式成立，所以此时int的起始位置为8，长度为4字节，在内存中的地址是8~11。
接下来是char，char占用内存大小为1字节，此时在内存中的起始地址为12，此时12%1==0等式成立表示可以从此位置开始存放char，在内存中的地址是12。
最后是short，short占用内存2字节，此时内存中的起始位置为13，13%2==0等式不成立，需要向后移，找到一个能被2整除的数，所以short在内存中的起始位置是14，长度为2，在内存中的地址是14~15。
有上述结果可得Struct2在内存中占用16个字节，根据内存对齐原则第三条，Struct2内部最大成员为double为8字节，所以Struct2最终占用的内存大小为16字节。由此可得出下图：

Struct2内存分布图

这就是Struct1和Struct2结果不同的原因。
由此我们可以得出结论：结构体所占内存大小与结构体内部的成员变量的顺序有关。

五、嵌套结构体内存分析

struct Struct3 {
    double a;              //8
    char b;                //4
    struct Struct1 c;      //24
    short d;               //2
}struct3;

struct Struct4 {
    double a;              //8
    char b;                //1
    short c;               //2
    struct Struct2 d;      //16
}struct4;
NSLog(@"结果为：%lu-%lu",sizeof(struct3),sizeof(struct4));

咱们来看下打印结果

结果为：48-32

我们来分析下Struct3的结果:

首先Struct3中以double开始，在内存中的地址是0~7。
接下来是char，char占用内存大小为1字节，此时在内存中的起始地址为8，此时8%1==0等式成立表示可以从此位置开始存放char，在内存中的地址是8，在内存中的地址是8。
然后是结构体Struct1，由上面的结论得知Struct1的大小为24字节，此时在内存中的起始地址为9，根据内存对齐原则第二条得知需从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储，Struct1中最大的为double占8字节，9%8 == 0不成立，所以取最近的一个能被8整除的数为16，所以Struct1在内存中的起始位置为16，长度为24，在内存中的地址是16~39。
最后是short，short占用内存2字节，此时内存中的起始位置为40，40%2==0等式成立，起始位置是40，长度为2，在内存中的地址是40~41。
有上述结果可得Struct3在内存中占用42个字节，根据内存对齐原则，Struct3内部包括子成员Struct1内部最大成员为double为8字节，所以Struct3最终占用的内存大小为48字节。由此可得出下图：

Struct3内存分布图

我们来分析下Struct4的结果:

首先Struct4中以double开始，在内存中的地址是0~7。
接下来是char，char占用内存大小为1字节，此时在内存中的起始地址为8，此时8%1==0等式成立表示可以从此位置开始存放char，在内存中的地址是8，在内存中的地址是8。
然后是short，short占用内存2字节，此时内存中的起始位置为9，9%2==0等式不成立，其后能被2整除的数为10，那么起始位置是10，长度为2，在内存中的地址是10~11。
最后是结构体Struct2，由上面的结论得知Struct2的大小为16字节，此时在内存中的起始地址为12，根据内存对齐原则第二条得知需从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储，Struct2中最大的为double占8字节，12%8 == 0不成立，所以取最近的一个能被8整除的数为16，所以Struct2在内存中的起始位置为16，长度为16，在内存中的地址是16~31。
有上述结果可得Struct4在内存中占用32个字节，根据内存对齐原则，Struct4内部包括子成员Struct1内部最大成员为double为8字节，所以Struct4最终占用的内存大小为32字节。由此可得出下图：

Struct4内存分布图

以上就是我对内存对齐原则的理解，如果有不同意见的同学欢迎留言给我。