02 - 内存对齐原理探索

在探索内存对齐之前，我们需要知道C和OC中的数据类型所占的大小（字节）：

各数据类型所占的字节数

以及我们在探索过程中需要用到的lldb调试指令：

bt               打出堆
register read    读取寄存器
x                读取内存段
x/4gx            读取当前断点位置起的4段内存段
po               打印
p                打印详细

什么是内存对齐

计算机中内存空间是按照byte划分的，在访问特定类型变量的时候通常在特定的内存地址访问，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。

为什么要内存对齐

通常内存是由一个个字节组成的，cpu在存取数据时，并不是以字节为单位存储，而是以块为单位存取，块的大小为内存存取力度。频繁存取字节未对齐的数据，会极大降低cpu的性能，所以可以通过减少存取次数来降低cpu的开销
16字节对齐，是由于在一个对象中，第一个属性isa占8字节，当然一个对象肯定还有其他属性，当无属性时，会预留8字节，即16字节对齐，如果不预留，相当于这个对象的isa和其他对象的isa紧挨着，容易造成访问混乱
16字节对齐后，可以加快CPU读取速度，同时使访问更安全，不会产生访问混乱的情况

举个例子：

假设一个整型变量 int a 的其实地址落在0x00000001,此时是没有内存对齐的状态，按照整型数据4个字节块的读取规则，这时候cpu想访问它完整的数据，就会分两次读取，如图所示，蓝色区域为int a在内存中的位置：

没有对齐的情况下的读取过程

读取过程：

第一次，从图中的0x0起读，按照int为4个字节，读取4字节大小，读到0x3，但一次读取之后，我们并不能取到我们需要的完整数据
第二次，继续再往下读，偏移4个字节，从0x4开始，读到0x7
经过两次读取，得到了完整数据（两份），中间还存在剔除与合并的过程。

接下来我们看看，内存对齐的情况下的读取情况：

对齐的情况下的读取过程

读取过程：

从图中的0x0起读，按照int为4个字节，读取4字节大小，读到0x3取到我们需要的完整数据

由此可见，在没有对齐的情况下，在读取的过程中会大大浪费处理器资源，内存对齐的重要性可见一斑~

结构体对齐：

首先先定义两个struct：

struct person1 {
  int   a; // 4
  long  b; // 8
  char c; // 1
  short d; // 2
};
struct person2 {
  int   a; // 4
  short d; // 2
  char c; // 1
  long  b; // 8
};

结构体person1在内存中的的占用：

第一个成员为int类型，占4字节，内存分布0x0 0x1 0x2 0x3 ,图中蓝色区域；
第二个成员为long类型，占8字节，此时内存的的偏移量0x4不是8的整数倍，所以要填充字节（灰色表示填充字节），到0x7的位置，然后将long b写入内存，内存分布0x8 0x9 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15，图中黄色区域；
第三个成员为char类型，占1字节，此时内存的的偏移量0x16是整数倍，不需要填充，内存分布 0x16，图中红色区域；
第四个成员为short类型，占2字节，此时内存的的偏移量0x17不是整数倍，需要填充字节到0x18的位置，然后将char c写入内存内存分布0x18 0x19，图中绿色区域；
此person1所占内存大小为24字节

person1在内存中的位置如图：

person1

结构体person2在内存中的的占用：

第一个成员为int类型，占4字节，内存分布0x0 0x1 0x2 0x3 ,图中蓝色区域；
第二个成员为short类型，占2字节，此时内存的的偏移量0x4是整数倍，不需要填充，内存分布0x4 0x5，图中绿色区域；
第三个成员为char类型，占1字节，此时内存的的偏移量0x6是整数倍，不需要填充，内存分布0x6，图中红色区域；
第四个成员为long类型，占8字节，此时内存的的偏移量0x7不是8的整数倍，所以要填充字节（灰色表示填充字节），到0x7的位置，然后将long b写入内存，内存分布 0x8 0x9 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15，图中黄色区域；
此person2所占内存大小为16字节

person2在内存中的位置如图：

person2

由这两个例子可见，对于成员相同的结构体，如果改变成员的顺序，对于结构体所占空间的大小是会产生影响的，所以，我们不但要了解内存对齐，还是正确的利用内存对齐。

内存字节对齐原则

内存字节对齐的原则：

数据成员对齐规则：struct 或者 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，比如数据、结构体等）的整数倍开始（例如int在32位机中是4字节，则要从4的整数倍地址开始存储）
结构体对齐：
- 第一个成员在结构体变量偏移量为0的地址处，也就是第一个成员必须从头开始。
- 以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上·填充字节·。
- 结构体的总大小为最大对齐数的整数倍（每个成员变量都有自己的对齐数）。
- 如果嵌套结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。(例如：struct a里面存有struct b，b里面有char、int、double等元素，则b应该从8的整数倍开始存储）

字节对齐-总结

在字节对齐算法中，对齐的主要是对象，而对象的本质则是一个struct objc_object的结构体，
结构体在内存中是连续存放的，所以可以利用这点对结构体进行强转。
苹果早期是8字节对齐，现在是16字节对齐
下面以align（8）为例，图解16字节对齐算法的计算过程，如下所示

16字节对齐算法

首先将原始的内存8与size_t(15)相加，得到8 + 15 = 23

将size_t(15) 即 15进行~（取反）操作，~（取反）的规则是：1变为0，0变为1

最后将23与 15的取反结果进行 &（与）操作，&（与）的规则是：都是1为1，反之为0，最后的结果为16，即内存的大小是以16的倍数增加的