002-OC对象原理探究 - 结构体内存对齐

引言

上一篇文章，探究 alloc的过程中，提到内存对齐。下面我们通过对OC对象QLPerson探究来展开内存对齐的探究。

OC对象本质

我们探究oc对象底层的本质，通过如下方式，讲.m文件转为.cpp文件。参考我的这篇文章
QLPerson.h 代码如下:

image.png

QLPerson.m 如下：

image.png

我通过xcrun来转成cpp文件

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc QLPerson.m -o QLPerson.cpp

将QLPerson.cpp拖入xcode，compile sources去掉QLPerson.cpp，使其不参与编译。在QLPerson.cpp中搜索QLPerson_找到底层实现为结构体QLPerson_IMPL：

image.png

其中结构体NSObject_IMPL为

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

由此可得出OC对象的本质是结构体，引出我今天将要探究的结构体内存对齐

结构体内存对齐探究：普通成员变量

定义结构体代码如下：

struct QLStruct1 {
    double  a;  // 8   
    char    b;  // 1   
    int     c;  // 4   
    short   d;  // 2   
} struct1; 
其中每个成员变量后面的注释为类型所占字节大小

那么struct1的内存到底占多少呢？我们这里用sizeof()来计算结果：

NSLog(@"%lu",sizeof(struct1));

打印结果如下：

image.png

这24字节是怎么得到的？
首先，我们要了解，结构体对齐有如下原则：

1、数据成员对齐规则：结构（struct）或union的数据成员，第一个数据的成员，放在offset为0 的地方，以后每个数据成员存储的起始位置，要从该成员大小成员的子成员大小（只要该成员有子成员，数组、结构体等）的整数倍开始。
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。
3、结构体的总大小，也就是sizeOf的结果，必须是其内部成员的整数倍，不足的要补齐

根据内存对齐原则，得到下图是struct1的成员变量的分布情况(excel画的)

image.png

代码如下：

struct QLStruct1 {
    double  a;  // 8   0 1 2 3 4 5 6 7
    char    b;  // 1   8
    int     c;  // 4   (9,10,11) 12 13 14 15
    short   d;  // 2   16 17
} struct1;      // 总计：成员变量总和为17，收尾--最大成员变量double(8)的倍数 --> 24
小括号为跳过

9,10,11为什么会空出来，因为struct1的最大成员变量为double，也就是最大成员变量的大小为8字节，根据原则1，可知该结构体按8字节对齐。char b排到8后，int c本应该从9开始排，但是9不能被8整除，因此往后移到12开始分配4字节给int c
short d排布结束后，到了17，根据原则3，struct1按照8字节内存对齐，不足的需要补齐，因此，最终sizeof(struct1)得到的是24而不是17。

结构体内存对齐探究：结构体作为成员变量

struct QLStruct3 {
    double  a;              // 8    0-7
    int     b;              // 4    8 9 10 11
    char    c;              // 1    12
    short   d;              // 2    (13)14 15
    int     e;              // 4    16 17 18 19
    struct  QLStruct1 stru; // 17   (20,21,22,23)24 25 26 27 ... 40
} struct3;                  // 总计：成员变量总和为40，收尾--最大成员变量double(8)的倍数 --> 48
小括号为跳过

根据探究普通成员变量的方式，根据原则2得到sizeof(struct3)的大小为48

总结

结构体内存对齐，要熟记以上3个原则，则面对复杂的结构体，也能得心应手的处理了。