内存对齐——知识点探究
以下问题探究点在64位操作系统下进行探究。
0x01什么是内存对齐
编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，来实现CPU以极少的次数获取到内存中的数据。【这是编译器干的活】
上例子：
// C语言示例
typedef struct {
int a; // 4 Byte
double b; // 8 Byte
short c; // 2 Byte
}AStruct;
typedef struct {
short b; // 2 Byte
int a; // 4 Byte
double c; // 8 Byte
}BStruct;
// 测试用例
AStruct a = {1,2.0f,3};
BStruct b = {1,2,3.0f};
NSLog(@"%d-%.2f-%d-size:%d",a.a,a.b,a.c,sizeof(a));
NSLog(@"%d-%d-%.2f-size:%d",b.a,b.b,b.c,sizeof(b));
# TestMemoryAlign[4069:228467] 1-2.00-3-size:24
# TestMemoryAlign[4069:228467] 2-1-3.00-size:16
发现了点什么？同一个结构体，为啥sizeof查出来的大小不一样呢？
这就是编译器在编译的时候做了内存对齐导致不同的效果。
对于我们来说，内存对齐基本是透明的，这是编译器该干的活，编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，从而导致相同的变量，不同声明顺序的结构体大小不同。
0x02 为什么要内存对齐
#pragma pack(1) # 不使用内存对齐 后面会解释
typedef struct {
int a; // 4 Byte
double b; // 8 Byte
short c; // 2 Byte
}AStruct;
AStruct a = {1,2.0f,3};
# TestMemoryAlign[4136:236686] 1-2.00-3-size:14
-
从存储角度
如果只是根据变量类型分配不同的空间，那么如果按照直接存储，不是可以做到让结构体类型大小就是所有变量大小之和，而非经过对齐增加了内存空间占用。这样不是更好吗？ -
从读取角度
如果只是按照将各种类型放到指定为值，那么读取效果为：
# 假设 a从0开始，当然如果a不从0开始会更复杂
a 读取 0-3字节
b 读取 4-11字节
c 读取 12-13字节
从上面看来，似乎没有什么问题，按着这个偏移量去读取指定字节数量的数据不就行了？ 这我们就需要考虑内存读取的方式了。
内存的读取
专有名词
-
Chip: 一个内存是由若干个黑色的内存颗粒构成的。每个内存颗粒叫做Chip -
Bank: 每个Chip内部，是由8个Bank组成的。 - 电容：每个
Bank内部，都是电容的行列（二维）矩阵结构。
二维矩阵中的一个元素一般存储着
8个Bit。
8个（Bank）相同位置（行列位置）的元素(小电容)，一起组成在内存中连续的64个Bit。
图例分析
内存条.jpg
以上为内存条效果，内存条中每一个小黑块就是一个chip。此内存条有8个chip。
Chip内部构造图.jpg
以上为Chip的内部结构，及每次读取8字节的方式：从每个Bank的相同位置，各读取一个字节，然后拼接为8字节的数据。
从上图展示的内存的物理结构我们可以看出：
内存中最小的单位就是小电容，最小就是
1个字节。所以操作系统管理的时候，最小的单位也是1个字节。在内存中连续的
64个Bit，其实在内存的物理结构中并不连续，而是分散在同位置的8个Bank上。
内存对齐的本质
内存硬件设计分为多个Chip，每个Chip内部维护这8个Bank表，每个Bank表包含着行列矩阵的电容单元。
内存在进行IO的时候，一次操作取的就是64bit。所以内存对齐最底层的原因就是内存的IO以64bit为单位进行操作。
所以在64位CPU上，我们每次读取是一次8字节。那么就是:
0-7Byte 一次读取
8-15Byte 一次读取
16-23Byte 一次读取
那么回到我们上面遗留的问题
从上面看来，似乎没有什么问题，按着这个偏移量去读取指定字节数量的数据不就行了？
从这里我们可以发现，当我们访问一个变量的时候，最好的方式就是CPU一次能够读取出需要的数据。那么我们看上面假设的读取方式，能否一次读取需要的数据。
a 读取 0-3字节 0-7Byte 一次读取可成功
b 读取 4-11字节 0-7Byte 8-15Byte 需要两次读取才可以获取到
c 读取 12-13字节 8-15Byte 一次读取可成功
从上面分析可以发现，我们读取b时需要内存工作两次才能正确读取。
这还是a从0开始的时候，那么如果a不是从0开始，那我们就需要CPU操作内存更多次才能获取需要的信息。
在数据量比较大的情况下这无疑是一个巨大的消耗。以下为验证消耗的用例：
#pragma pack(1) # 不使用内存对齐
typedef struct {
short a; // 2 Byte 出现一个不足8字节，后面但凡是超出8字节的全部都是一次内存读取不成功的
long b; // 8 字节
int c; // 4 Byte
double d; // 8 Byte
int64_t e;
long f;
long g;
}AStruct;
#pragma pack(8)
typedef struct {
short a; // 2 Byte
long b; // 8 字节
int c; // 4 Byte
double d; // 8 Byte
int64_t e;
long f;
long g;
}BStruct;
static int maxCount = 1000000000;
void testUnAlign() {
AStruct a = {1,200000000,3,100.0f,1000000000,10012032,324324234};
NSLog(@"%d-%ld-%d-%.2f-%d-%ld-size:%d",a.a,a.b,a.c,a.d,a.e,a.f,sizeof(a));
CFAbsoluteTime start = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
for (int i = 0; i < maxCount; i++) {
AStruct a = {1,200000000,3,100.0f,1000000000,10012032,324324234};
int64_t sum = a.a + a.b + a.c + a.d + a.e + a.f + a.g;
}
CFAbsoluteTime end = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
NSLog(@"未对齐耗时:%f",end - start);
}
void testAlign() {
BStruct a = {1,200000000,3,100.0f,1000000000,10012032,324324234};
NSLog(@"%d-%ld-%d-%.2f-%d-%ld-size:%d",a.a,a.b,a.c,a.d,a.e,a.f,sizeof(a));
CFAbsoluteTime start = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
for (int i = 0; i < maxCount; i++) {
BStruct a = {1,200000000,3,100.0f,1000000000,10012032,324324234};
int64_t sum = a.a + a.b + a.c + a.d + a.e + a.f + a.g;
}
CFAbsoluteTime end = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
NSLog(@"对齐耗时:%f",end - start);
}
// 测试效果
testUnAlign();
testAlign();
# TestMemoryAlign[4805:290147] 1-200000000-3-100.00-1000000000-10012032-size:46
# TestMemoryAlign[4805:290147] 未对齐耗时:15.066716
# TestMemoryAlign[4805:290147] 1-200000000-3-100.00-1000000000-10012032-size:56
# TestMemoryAlign[4805:290147] 对齐耗时:5.225200
经由测试发现，结构体内变量越多，遍历次数maxCount越多，未对齐查找操作耗时就越多。
由此可以确定，内存对齐对程序性能的影响是极大的。
内存对齐的作用
为什么要内存对齐
- 平台因素
不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能再某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
- 性能问题
通过上测试用例可发现
- 内存对齐优点
经过内存对齐后，
CPU的内存访问速度大大提升
- 内存对齐缺点
内存对齐会消耗一部分存储空间
0x03 内存对齐规则
对齐规则
内存对齐的规则【参考】：
- 结构体变量的起始地址能够被其最宽的成员大小整除
- 结构体每个成员相对于起始地址的偏移能够被其自身大小整除，如果不能则在前一个成员变量之后补充字节
- 结构体总体大小能够被最宽的成员的大小整除，如果不能则在后面补充字节。
上面的规则其实并不完善，还有内存对齐系数我们是可以指定的，所以还需要和下面配合处理内存对齐。
// x为对齐系数，对齐系数应该为多少 1，2，4，8，16 ; 1为不进行内存对齐
#pragma pack(x)
对齐规则整理如下：
- 字节对齐
对于结构体各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，长度为y字节，对齐系数为x
a.下一个偏移量为 min(x，y) 的正整数倍;
b.下一个变量的偏移量/变量大小 等于正整数。
- 整体对齐
所有对齐后，结构体（或共用体）本身也要进行对齐,假设结构体（或共用体）内部最大数据成员长度为maxLength
那么结构体（或联合）整体大小为：min(x,maxLength) 的正整数倍
栗子
// #pragma pack(8) // 64位机默认是8
typedef struct {
int a; // 4 Byte 0-3Byte nextOffset = min(8,4)*倍数 8：默认对齐系数 4：前变量长度
double b; // 8 Byte 7-15Byte 这个大小为8Byte，那么偏移量就要是8字节的倍数，同时还要是min(8,4)的倍数，那么偏移量为8即可，
short c; // 2 Byte 16-17Byte 大小2Byte
}AStruct;
// 整体计算变量存储使用18Byte,但是整体还要进行对齐，最大变量长度为8字节，要是8的正整数倍，最小就是24Byte,所以结果就是24Byte
// 打印
AStruct a = {1,2.0f,3};
NSLog(@"%d-%.2f-%d-size:%d",a.a,a.b,a.c,sizeof(a));
# TestMemoryAlign[4907:301999] 1-2.00-3-size:24
// 我们还可以查看下内存结构确认是否是我们分析的那样
(lldb) p/x &a
(AStruct *) $0 = 0x00007ffeefbff508
(lldb) x/4g 0x00007ffeefbff508
0x7ffeefbff508: 0x0000000000000001 0x4000000000000000 # 1占了4个字节，然后填充4个字节0，然后是8字节的b
0x7ffeefbff518: 0x0000000000000003 0x00007ffeefbff558 # 3 占了后面两个字节，填充了6个字节的0，再后面的8个字节就不属于AStruct了
0x04 内存对齐使用
C 语言结构体共用体优化
通过上述操作，我们使用了内存对齐，但是耗费内存空间的大小可以通过调整成员变量的顺序来控制。
iOS是否需要优化
iOS在分配内存时已经调用了对齐操作
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize(); // 返回对齐后的内存地址
}
// May be unaligned depending on class's ivars.
uint32_t unalignedInstanceSize() const { // 直接获取所有变量的内存大小
ASSERT(isRealized());
return data()->ro->instanceSize;
}
// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
uint32_t alignedInstanceSize() const {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16; // 如果分配的内存大小小于16，那么就为16
return size;
}
总结
内存对齐对与我们开发者来说，基本是透明的，了解内部结构有助于我们的理解，深究则与硬件的组成有关联，有助于我们对内存知识的进一步了解。
扩展
如果不强制对地址进行操作，仅仅只是简单用
C定义一个结构体，编译和链接器会自动替开发者对齐内存的。尽量帮你保证一个变量不跨列寻址。
其实在内存硬件层上，还有操作系统层。操作系统还管理了
CPU的一级、二级、三级缓存。实际中不一定每次
IO都从内存出，如果你的数据局部性足够好，那么很有可能只需要少量的内存IO，大部分都是更为高效的高速缓存IO。但是高速缓存和内存一样，也是要考虑对齐的。
