iOS底层原理 02 : 结构体内存对齐原则
什么是内存对齐
元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小（通常它为4或8）来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始，这就是所谓的内存对齐。
编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。C语言允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再模糊了。
下图是结构体在32bit和64bit环境下各基本数据类型所占的字节数:
基本数据类型所占的字节数.png
结构体内存对齐
接下来我们定义两个struct，通过打印它们的sizeof()来探索一下其对齐的规律
struct LGHStruct01 {
long a;
char b;
double c;
int d;
short e;
}struct01;
struct LGHStruct02 {
long a;
double b;
int c;
short d;
char e;
}struct02;
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(struct01),sizeof(struct02));
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
// 打印的结果是: 32-24
我们可以看到两个结构体其中定义的变量 以及变量类型都是一致的，唯一的区别是在于定义变量的顺序不一致，为什么struct01，struct02所占的内存大小一个是32一个是24呢？接下来我们来了解一下内存对齐原则。
内存对齐规则
- 原则一：数据成员对⻬规则：结构(struct)(或联合(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，⽐如说是数组，结构体等）的整数倍开始(⽐如int为４字节,则要从４的整数倍地址开始存
储。 min(当前开始的位置m n) m = 9 n = 4 (9 10 11 12) - 原则二：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.(struct struct03⾥存有struct struct01,struct01⾥有long,char,int ,double等元素,那struct01应该从8的整数倍开始存储.)
- 原则三：收尾⼯作:结构体的总⼤⼩,也就是sizeof的结果,.必须是当前结构体或者其嵌套的某个结构体成员的最大成员大小的整数倍.不⾜的要补⻬。
根据对齐原则，我们具体来分析struct01 、struct02结构体：
结构体MyStruct1 内存大小计算：
- 变量
a:占8个字节，从0开始，min(0,8),即放在下0-7存储 - 变量
b：占1个字节，从8开始，min(8,1),8%1==0，即放在8存储 - 变量
c：占8个字节，从9开始，min(9,8),9%8!=0,往后移直到min(16,8),所以从变量c放在16-23存储 - 变量
d：占4字节，从24开始，min(24,4),24%4==0,即d放在24-27存储 - 变量
e：占2字节，从28开始，min(28,2),28%2==0,即e放在28-29存储
因此struct01需要的内存大小是30字节[0-29],而LGHStruct01中最大变量的字节数为8，所以 LGHStruct01 实际的内存大小必须是 8 的整数倍，30向上取整到32，主要是因为32是8的整数倍，所以 sizeof(LGHStruct01) = 32
示意图如下:
LGHStruct01.png
结构体MyStruct02 内存大小计算：
- 变量
a:占8个字节，从0开始，min(0,8),即放在下0-7存储 - 变量
b：占8个字节，从8开始，min(8,8),8%8==0，即放在8-15存储 - 变量
c：占4个字节，从16开始，min(16,4),16%4==0,所以变量c放在16-19存储 - 变量
d：占2字节，从20开始，min(20,2),20%2==0,即d放在20-21存储 - 变量
e：占1字节，从22开始，min(22,1),22%1==0,即e放在22存储
因此struct01需要的内存大小是23字节[0-22],而LGHStruct02中最大变量的字节数为8，所以 LGHStruct02 实际的内存大小必须是 8 的整数倍，23向上取整到24，主要是因为24是8的整数倍，所以 sizeof(LGHStruct02) = 24
示意图如下:
LGHStruct02.png
结构体嵌套
struct LGHStruct03 {
int a;
char b;
short c;
float d;
struct LGHStruct01 str01;
}struct03;
NSLog(@"%lu",sizeof(struct03));
// 打印结果是48
LGHStruct03里面嵌套了LGHStruct01，
- 变量
a:占4个字节，从0开始，min(0,4),即放在下0-4存储 - 变量
1：占1个字节，从4开始，min(4,1),4%1==0，即放在4存储 - 变量
c：占2个字节，从5开始，min(5,2),5%2!=0,向后移到min(6,2),6%2==0, 变量c放在6-7存储 - 变量
d：占4字节，从8开始，min(8,4),8%4==0,即d放在8-11存储 - 变量
str01：占32字节，但str01里面最大变量所占的字节数是8，从12开始，min(12,8),12%8!=0,向后移到16，16%8==0,即e放在16-47存储
所以LGHStruct03所需的内存是48，对齐字节数应为当前结构体或者嵌套的某个结构体成员的最大成员大小，是LGHStruct01里面的long类型为8，所以对齐数为8，而48刚好是8的倍数，所以sizeof(struct03) = 48.
如下图所示：
LGHStruct03.png
内存优化（属性重排）
我们知道苹果它对OC对象的属性的存储是进行了重排的。下面我们定义一个LGHPerson类，来看看属性在内存中的存储。
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, assign) long height;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) float hair;
@property (nonatomic, assign) short ID;
@property (nonatomic) char c1;
@property (nonatomic) char c2;
@property (nonatomic) char c3;
@property (nonatomic) char c4;
@property (nonatomic) char c5;
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
person.name = @"Cooci";
person.nickName = @"KC";
person.age = 18;
person.height = 170;
person.hair = 100;
person.ID = 10;
person.c1 = 'a';
person.c2 = 'b';
person.c3 = 'c';
person.c4 = 'd';
person.c5 = 'e';
NSLog(@"%lu - %@ - %lu",sizeof(float),person,malloc_size((__bridge const void *)person));
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
我们在NSLog这里打个断点，接下来看看每个属性具体的存放位置：
malloc_size.png
查看person对象.png
查看地址存放的内容.png
属性存放在内存的示意图.png
**总结: **
苹果对OC对象的存储进行重排，根据属性所占的字节数的大小，从小到大排序，先存储所占字节数较少的属性，再存储所占字节数较少的属性，从而减少padding(内存占位符)，达到内存优化的效果.
