iOS底层之内存对齐算法解析

目前但凡一个iOS岗面试都会问个内存对齐问题，那么什么是字节对齐？成员变量对齐和对象内存对齐有什么区别？今天我来为大家一一解析

iOS创建对象的_class_createInstanceFromZone方法中会通过instanceSize方法计算创建对象需要开辟的内存空间（细创建对象流程点我），源码如下：

inline size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
        }

        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }

alignedInstanceSize()源码如下：

uint32_t alignedInstanceSize() const {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }

通过分析源码得出以下结论：

对象开辟的空间大小完全取决于对象的成员变量(depending on class's ivars)，通过成员变量得出未对齐的内存大小：

// May be unaligned depending on class's ivars.
uint32_t unalignedInstanceSize() const {
        ASSERT(isRealized());
        return data()->ro()->instanceSize;
    }

若对象没有成员变量，则属性只有从基类NSObject继承来的isa，isa为一个class类型的结构体指针Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;，因此一个对象最小的未对齐空间unalignedInstanceSize为8。
得到unalignedInstanceSize以后，通过word_align方法将其字节对齐，接下来逐步分析具体成员变量对齐方法

对齐方法代码：

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

其中WORD_MASK定义为define WORD_MASK 7UL

假设当前对象没有成员变量，则x = 8，以上表达式可转化为：

   （8 + 7） & ~7
->  15 & ~7

转为二进制则为：

15      ： 0000 1111
7       ： 0000 0111 
~7      ： 1111 1000
15 & ~7 ： 0000 1000 = 8

一个无成员变量的对象通过对齐得到的alignedInstanceSize为8。

字节对齐算法的意义为8字节对齐，取8的整数倍。目的在于在计算读取成员变量的时候，如果成员变量根据实际类型设定大小，会影响计算机读取速度，但如果统一以8字节为度量衡，可以加快读取速度（以空间换取时间）这个算法也可以用以下方式表达：

  (8 + 7) >> 3 << 3           右移3位再左移三位
  15 : 0000 1111
  右移三位 -> 0000 0001
  左移三位 -> 0000 1000 = 8

得到alignedInstanceSize后，instanceSize最后会通过if (size < 16) size = 16条件将小于16的结果全部转为16，至此，一个无成员变量的对象开辟的空间为16。

4.接下来分析对象带有多个成员变量的情况：

@property (nonatomic,copy)NSString *name;

@property (nonatomic,assign)int age;

@property (nonatomic,assign)long height;

@property (nonatomic,copy)NSString *nickName;

@property (nonatomic,assign)BOOL isMale;

并进行赋值：

p.name = @"FC";
p.age = 18;
p.height = 185;
p.nickName = @"XX";
p.isMale = YES;

在控制台通过x/6gx p 来打印对象p的详细内存情况：

image.png

其中第一段内存为对象的isa，第二段内存中，系统将属性age和属性isMale两个4字节的属性进行了组合，优化了内存分配，打印结果如图：

image.png

5.内存对齐原则：

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。
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.)
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。

举例：

image.png

以上两个结构体内存大小是否一致？答案：不一致，分别为24和16。
为什么同样的成员变量，因为顺序不同内存结果不同？
依据原则1”每个成员变量储存的起始位置需要可以整除该成员变量的字节大小“，得出两个结构体的储存流程如下：

image.png

再依据原则3，内存结果必须为最大成员的整数倍，得出结果为24和16。

为什么每个成员变量起始位置必须要是自己的整数倍呢？

image.png

不做对齐操作时，计算机读取此结构体变量需要读取4次，每次读取大小分别为8，1，2，4，读取次数多，每次读取次数不同，降低读取效率。

image.png

内存对齐操作后，可以看到后面3个成员变量组合到了一起，并且系统会告知该组合中含有大小为1，2，4的成员变量，计算机再读取此结构体的时候只需以8字节为单位读取两次，大大提高了读取效率，这就是需要内存对齐的原因啦

6.对象内存最终结果

创建一个类：

image.png
如图赋值并进行打印：

image.png
打印结果为：

image.png

按照之前的分析：
sizeof(p)结果为8（p为结构体指针，大小为8）；
class_getInstanceSize([FCPerson class])为成员变量大小+isa，结果为40
malloc_size是什么？为什么等于48？

通过研究malloc源码，在calloc方法最后调用的segregated_size_to_fit方法中：

static MALLOC_INLINE size_t
segregated_size_to_fit(nanozone_t *nanozone, size_t size, size_t *pKey)
{
    size_t k, slot_bytes;

    if (0 == size) {
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior
    }
    k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; // round up and shift for number of quanta
    slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;                           // multiply by power of two quanta size
    *pKey = k - 1;                                                  // Zero-based!

    return slot_bytes;
}

size为传入的40，NANO_REGIME_QUANTA_SIZE为16， SHIFT_NANO_QUANTUM为4。
slot_bytes就是返回的最终的对象大小，其算法为： (40 + 16 - 1) >> 4 << 4，即对40进行16字节对齐，最终结果为48。

16字节对齐的原因：若以8字节对齐，64字节以内，可以存放8个8字节对象（8，16，24，32，40，48，56，64），对象之间两两相邻。若以16字节对齐，64字节内可以放4个对象（16，32，48，64），对象两两相邻的次数降低，减少系统误指的概率。另一方面，一个对象的成员变量最小为8（isa），但只含有默认变量isa的对象概率极低，实际使用中绝大部分类都有额外的成员变量，若以8字节对齐则每个对象内存都要做额外计算，因此直接使用16字节对齐会提高效率。

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