结构体的内存对齐
2020-09-12 本文已影响0人
Bel李玉
在计算机系统中，为方便，快速的从内存中读取内存值，要求内存中的变量值需要按照一定的规则进行排放，在这篇文章中我们一起讨论结构体中的内存对齐。
内存对齐原则：
- 1：
数据成员对齐原则：结构体(struct)或联合体(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：
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，不足的要补齐。
分析：
单个结构体
我们通过探讨下面两个结构体的内存分布，来探讨该问题
//1、定义两个结构体
struct Mystruct1{
char a; //1字节
double b; //8字节
int c; //4字节
short d; //2字节
}Mystruct1;
//计算 结构体占用的内存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(Mystruct1),sizeof(Mystruct2));
我们假设从内存为 0的位置开始存储
对于MyStruct1而言:
- 1，
char a:a为char类型，占用1字节，位置 0存放char a。 - 2，
double b:b为double类型，占用8字节，根据原则1，要从8 的整数倍位置处存放b，则在位置8存放double b的值。到目前为止，0~7存放的是char a，8 ~ 15存放的是double b。 - 3，
int c:c为int类型，占用4字节，根据原则1，需要存放在4的整数倍的位置，则 从位置16开始存放。16～20存放int c。此时 ，0~7存放的是char a的值，8~15存放的是double b的值，16~19存放的是int c的值。 - 4，
short d:d为short类型，占用2字节，应该从2的整数倍位置开始存储。则在20~21位置处存放short d的值。
MyStruct1结构体的内存分布如下图所示，白色区域为填充区域，有颜色的地方为存放变量的区域。根据原则3，结构体的大小为最大成员变量的整数倍原则，我们可以看出，其大小为 24.
内存对齐1.png
对于Mystruct2而言：
- 1，
double b为第一个成员，从0位置开始存储，占用8字节，则0~7存放double b的值。 - 2，
int c需要占用4字节，需要从4的整数倍开始存储，则4~7存放int c的值。 - 3，
short d需要占用2字节，从2的整数倍位置开始存储，则8~9存放short d的值。 - 4，
char a需要占用1字节，从1 的整数倍位置开始存储，则位置10存放char a的值。
下图为Mystruct2的内存分布，我们可以看出 Mystruct2的内存大小为 16
内存对齐2.png
⚠️⚠️⚠️我们通过上面两个例子，来讲解结构体的内存对齐原理，我们可以看出，当结构体的成员一样时，其占用的内存大小并不一致，其内存大小与成员的排列顺序有关系。
结构体嵌套
为了分析结构体嵌套里面的内存分布，我们定义如下
struct Mystruct2{
double b; //8字节
int c; //4字节
short d; //2字节
char a; //1字节
}Mystruct2;
struct MyStruct3{
char a; //1字节
double b; //8字节
struct Mystruct2 struc; // 16 字节
int c; //4字节
short d; //2字节
}MyStruct3;
在 MyStruct3中嵌套了 Mystruct2：
- 1，根据前面单个结构体里面阐述的
char a占用0 ~ 7字节空间，double b占用8 ~ 15字节空间。 - 2， 根据
原则2，Mystruct2结构体里面最大的成员变量为8字节，所以，要从8的整数倍的位置处开始存放Mystruct2，16是8的整数倍，所以，16 ～ 31存放Mystruct2。 - 3，
int c，需占用4字节，需要从4的整数倍位置处存放，则32 ~ 35处存放int c， - 4，
short d，需要占用2字节，从2的整数倍位置处开始存放，则36 ~ 37存放short d。
根据以上分析，我们可以得到，MyStruct3占用了 0~37位置的空间，根据 原则3，它所占总空间应该为 其内部最大成员大小的整数倍，MyStruct3的最大成员大小为 8，所以，其占用内存空间为 0 ~ 39，共 40字节空间。其内存分布如下图所示：
内存对齐3.png
内存优化(属性重排)
在我们讲解第一个示例的时候，我们可以看出，结构体内存的大小和成员变量的大小和其排放顺序有关，两个结构体如果拥有同样的属性，但其属性排放顺序不一致，会导致占用内存的大小不一致。原因如下：
- 如果结构体内存成员变量是从小到大进行排布的，则需要更多的
padding会导致占用的内存偏大。 - 如果结构体内，成员变量是从大到小进行排布，则会有很少的
padding，会使结构体占有更少的空间。
在 iOS中，苹果会对进行属性重排，来达到优化内存的目的，我们以下面的代码为例
@interface LYPerson : NSObject
@property(nonatomic, copy) NSString *name;
@property(nonatomic, assign) char a;
@property(nonatomic, assign) int c;
@property(nonatomic, assign) short d;
@end
@implementation LYPerson
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LYPerson *person = [LYPerson alloc];
person.c = 5;
person.a = 'a';
person.name = @"LY";
person.d = 2;
NSLog(@"%ld", class_getInstanceSize(person.class));
}
return 0;
}
首先，我们来看下输出结果：
2020-09-12 13:24:17.099525+0800 KCObjc[59477:1943607] 24
为什么是24 ？？？
我们可以通过lldb指令查看一下内存分布情况
(lldb) po person \\ 1
<LYPerson: 0x1012492c0>
(lldb) memory read/8gx 0x1012492c0 \\ 2
0x1012492c0: 0x001d80010000238d 0x0000000500020061
0x1012492d0: 0x0000000100001010 0x0000000000000000
0x1012492e0: 0x0000000000000000 0xbd2293c8794d4e12
0x1012492f0: 0x00000001003f4000 0x0000000000000001
(lldb) x/8gx 0x1012492c0 \\ 3
0x1012492c0: 0x001d80010000238d 0x0000000500020061
0x1012492d0: 0x0000000100001010 0x0000000000000000
0x1012492e0: 0x0000000000000000 0xbd2293c8794d4e12
0x1012492f0: 0x00000001003f4000 0x0000000000000001
- 1，打印 person对象，得到 person对象的内存地址。
- 2，读取
0x1012492c0内存区域的存储值，memory read/8gx 地址指令用来读取内存值， - 3，
x/8gx 0x1012492c0：x是memory read/的缩写行式。8，是输出的数量个数，g是giant word 8字节，最后一个x表示以16进制格式输出。
(lldb) po 0x001d80010000238d & 0x00007ffffffffff8ULL // 1
LYPerson
(lldb) po 0x0000000100001010 // 2
LY
(lldb) po 0x0005 //3
5
(lldb) po 0x0002 // 4
2
(lldb) po 0x0061 //5
97
- 1，在该内存的
前8个字节存储的是 对象的isa值，0x00007ffffffffff8ULL为ISA_MASK。 - 2，从
16 ~ 23字节处，储存的是对象的name属性。 - 3，
10 ~ 11字节处，储存的是属性c的值。 - 4，
12 ~ 13字节处，存储的是属性d的值。 - 5，
14 ~ 15字节处，存储的是属性a的值，97为字母a的ASCII值。
其内存分布如下所示：
LYPerson内存分布.png
总结：
我们在这里首先讨论了，内存对齐的三原则，单个结构体的内存分布，结构体嵌套的内存分布，以及 iOS中的内存对象的属性重排和其内存分布
