结构体与内存对齐

什么是内存对齐？

内存对齐，简单来说就是编译器为了节省查找内存时间，通过一定的算法将数据按照规律存储，而不是一个一个的紧密排列，每个平台上的编译器都有自己的“对齐系数”（一般为4和8），而iOS的对齐系数为8即8字节对齐。

下表是各种数据类型在iOS中的占用内存大小,根据对应类型来计算结构体中内存大小

常见数据类型大小

获取内存常见的三种方式

获取内存大小的三种方式分别是：

• sizeof
• class_getInstanceSize
• malloc_size

下面以一段代码为例

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSObject *object = [[NSObject alloc]init];
        NSLog(@"%lu - %lu - %lu",sizeof(object),class_getInstanceSize([NSObject class]),malloc_size((__bridge const void *)(object)));
        
    }
    return 0;
}

运行后的输出为：8 - 8 - 16

解释：
sizeof：可用于获取类、结构、共用体和其他用户自定义数据类型的大小。
class_getInstanceSize：返回类实例的大小。
malloc_size：返回实际给定的内存大小

结构体内存对齐

接下来，我们首先定义两个结构体，分别计算他们的内存大小，以此来引入今天的正题：内存对齐原理

//1、定义两个结构体
struct Struct1{
    char a;     //1字节
    double b;   //8字节
    int c;      //4字节
    short d;    //2字节
}Struct1;

struct Struct2{
    double a;   //8字节
    int b;      //4字节
    short c;    //2字节
    char d;     //1字节
}Struct2;


//计算 结构体占用的内存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(Struct1),sizeof(Struct2));

以下是输出结果

结果

从打印结果我们可以看出一个问题，两个结构体除了变量顺序一样之外，其他几乎完全一致，那么他们的大小为什么内存大小不相等呢？这就是内存对齐现象。

内存对齐规则

内存对齐规则有一下三点：

• 数据成员的对齐规则可以理解为min(m, n) 的公式, 其中 m表示当前成员的开始位置, n表示当前成员所需要的位数。如果满足条件 m 整除 n （即m % n == 0）, n 从 m 位置开始存储, 反之继续检查 m+1 能否整除 n, 直到可以整除, 从而就确定了当前成员的开始位置。

• 数据成员为结构体：当结构体嵌套了结构体时，作为数据成员的结构体的自身长度作为外部结构体的最大成员的内存大小，比如结构体a嵌套结构体b，b中有char、int、double等，则b的自身长度为8

• 最后结构体的内存大小必须是结构体中最大成员内存大小的整数倍，不足的需要补齐。

验证对齐规则

结构体Struct1 内存大小计算

根据内存对齐规则计算Struct1的内存大小，详解过程如下：

• char a：1个字节，此时min（0，1）， 0 存储 a
• double b：8个字节，从1开始，此时min（1，8），1不能整除8，继续往后移动，知道min（8，8），从8开始，即 8-15 存储 b
• int c：4个字节，从16开始，此时min（16，4），16可以整除4，即 16-19 存储 c
• short d：2个字节，从20开始，此时min(20, 2)，20可以整除2，即20-21 存储 d

因此Struct1的需要的内存大小为 18字节，而Struct1中最大变量的字节数为8，所以 Struct1 实际的内存大小必须是 8 的整数倍，18向上取整到24，主要是因为24是8的整数倍，所以 sizeof(Struct1) 的结果是 24

结构体Struct2 内存大小计算

根据内存对齐规则计算Struct2的内存大小，详解过程如下：

• double a：占8个字节，从0开始，此时min（0，8），即 0-7 存储 a
• int b：占4个字节，从8开始，此时min（8，4），8可以整除4，即 8-11 存储 b
• short c：占2个字节，从12开始，此时min(12, 2)，20可以整除2，即12-13 存储 c
• char d：占1个字节，从14开始，此时min（14，1），即 14 存储 d

因此Struct2的需要的内存大小为 15字节，而Struct2中最大变量的字节数为8，所以 Struct2 实际的内存大小必须是 8 的整数倍，15向上取整到16，主要是因为16是8的整数倍，所以 sizeof(Struct2) 的结果是 16

内存情况如下图：

结构体对应的存储情况

结构体嵌套结构体

上面的两个结构体只是简单的定义数据成员，下面来一个比较复杂的，结构体中嵌套结构体的内存大小计算情况

• 首先定义一个结构体Struct3，在Struct3中嵌套Struct2，如下所示

//结构体嵌套结构体
struct Struct3{
    char a;     //1字节
    double b;   //8字节
    int c;      //4字节
    short d;    //2字节
    struct Struct2 e;//24字节
}Struct3;

//2、打印 Struct3 的内存大小
NSLog(@"Struct3内存大小：%lu", sizeof(Struct3));
NSLog(@"Struct3中结构体成员内存大小：%lu", sizeof(Struct3.e));

打印的结果如下所示

Snip20200909_4.png

• char a：1个字节，此时min（0，1）， 0 存储 a
• double b：8个字节，从1开始，此时min（1，8），1不能整除8，继续往后移动，知道min（8，8），从8开始，即 8-15 存储 b
• int c：4个字节，从16开始，此时min（16，4），16可以整除4，即 16-19 存储 c
• short d：2个字节，从20开始，此时min(20, 2)，20可以整除2，即20-21 存储 d，
• 结构体成员e：e是一个结构体，根据内存对齐原则二，结构体成员要从其内部最大成员大小的整数倍开始存储，而e中最大的成员大小为8，所以e要从8的整数倍开始，22不符合要求，需要往后移动到24，而Struct2需要的内存大小为16字节，所以 24-39 存储 e

因此Struct3的需要的内存大小为 24+16=40字节。

Struct3内存情况如下图：

Struct3内存

以上便是结构体与内存对齐的全部内容，如有错误内容，还请多多包涵。