iOS 底层探究二：内存对齐1

这是我参与8月更文挑战的第2天，活动详情查看：8月更文挑战

内存对齐的原则

1.数据成员对齐规则

结构体（struct）或者联合体（union）的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，之后每一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，好比说是数组，结构体等）的整数倍开始（好比int为4字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

2.结构体做为成员

若是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 a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储）。

3.首位工做

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。

基本数据类型的内存大小

C	OC	32位	64位
bool	BOOL(64位)	1	1
signed char	(__signed char)int8_t、BOOL(32位)	1	1
unsigned char	Boolean	1	1
short	int16_t	2	2
unsigned short	unichar	2	2
int 、int32_t	NSInteger(32位)、boolean_t(32位)	4	4
unsigned int	boolean_t(64位)、NSUInteger(32位)	4	4
long	NSInteger(64位)	4	8
unsigned long	NSUInteger(64位)	4	8
long long	int64_t	8	8
float	CGFloat(32位)	4	4
double	CGFloat(64位)	8	8

如何获取内存大小

1. sizeof(expression-or-type)

sizeof()是C/C++中的关键字，它是一个运算符，不是函数。做用是取得一个对象（数据类型或者数据对象）的长度（即占用内存的大小，以byte为单位，返回size_t）。基本数据类型（int、double等）的大小与系统相关。结构体涉及字节对齐。

示例：

struct Stu {

        char c;
        int i;
        double d;
    };

    void test() {

        //基本数据类型
        int age = 18;
        size_t sizeAge1 = sizeof(age);
        size_t sizeAge2 = sizeof age;
        size_t sizeAge3 = sizeof(int);
        NSLog(@"age size: %zu, %zu, %zu",sizeAge1,sizeAge2,sizeAge3);

        //结构体
        struct Stu s;
        s.c = 'c';
        s.i = 18;
        s.d = 180.0;

        size_t sizeS1 = sizeof(s);
        size_t sizeS2 = sizeof s;
        size_t sizeS3 = sizeof(struct Stu);
        NSLog(@"s size: %zu, %zu, %zu",sizeS1,sizeS2,sizeS3);

        //指针
        NSObject *obj = [NSObject alloc];
        size_t sizeObj1 = sizeof(obj);
        size_t sizeObj2 = sizeof obj;
        size_t sizeObj3 = sizeof(NSObject *);
        NSLog(@"obj size: %zu, %zu, %zu",sizeObj1,sizeObj2,sizeObj3);
    }

复制代码

输出：

age size: 4, 4, 4
s size: 16, 16, 16
obj size: 8, 8, 8
复制代码

• 经过类型和实例均可以获取内存大小，这也说明开辟的内存大小在类型肯定后就已经肯定了。
• sizeof是运算符不是函数。3种语法形式均可以，须要注意的是经过类型获取的方式必须在()中。

2. class_getInstanceSize

这个函数是rutime提供的获取类的实例锁占用的内存大小。大小至于成员变量有关。获取的是实际占用的空间（8字节对齐）。

3. malloc_size

malloc_size就是alloc中实际开辟的空间。

案例份分析

1.有以下结构体Struct1和Struct2分别占用多大内存？

struct Struct1 {
    double a; // [0,7]
    char b;     // [8]
    int c;        // 根据第一准则要从4的倍数开始，因此[12,13,14,15]。跳过9，10，11
    short d;  //[16,17]
}struct1;
//根据第三准则总大小要是8的倍数，那就要分配24字节。

struct Struct2 {
    double a; //[0,7]
    int b;        //[8,11]
    char c;     //[12]
    short d;   //根据准则1跳过13，从14开始 [14,15]
}struct2;
//这里0~15大小原本就为16了，因此不须要补齐了。
复制代码

验证：

NSLog(@"struct1 size :%zu\nstruct2 size:%zu",sizeof(struct1),sizeof(struct2));
复制代码

输出：

struct1 size :24
struct2 size:16
复制代码

• 结构体中数据类型顺序不一致占用的内存大小可能不一致。
• 大小计算从0开始，Struct2并无进行第三原则补齐。

2. 增长一个Struct3中有结构体嵌套，那么占用大小是多少？

struct Struct3 {
    double a;                  //[0,7]
    int b;                         //[8,11]
    char c;                     //[12]
    short d;                   //跳过13 [14,15]
    int e;                        // [16,19]
    struct Struct1 str; //根据准则2，Struct1最大元素为`double`类型，因此从24开始。根据`Struct1`分配的时候24个字节，因此str为[24,47]
}struct3;
//因此Struct3占用内存大小为48字节。
复制代码

验证：

NSLog(@"struct3 size :%zu",sizeof(struct3));

struct3 size :48
复制代码

在这里有个疑问，准则3是先做用在Struct1再做用Struct3仍是最后直接做用在Struct3？不妨验证一下：

struct Struct4 {
    struct Struct1 str;
    char c;
}struct4;
复制代码

Struct1自己占用18字节，补齐后占用24字节。若是Struct4最终占用32字节那么就是第一种状况，张永24 字节则是第二种状况。

NSLog(@"struct4 size :%zu",sizeof(struct4));
struct4 size :32
复制代码

这也就验证了猜测，结构体嵌套从内部开始补齐。这也符合常理。

3. 修改结构体以下：

struct S1 {
    int a; // 4  [0,3]
    char b;// 1  [4]
    short c; // 2 [6,7]
}; // 0~7 8字节

struct S2 {
    double a; // 8 [0,7]
    char b;   // 1 [8]
    struct S1 s1; // 8  [12,19]  按s1自身中存的最大a的4字节的倍数对齐
    bool c; // 1 [20]
};
//0~20一共21个字节，按最大的8字节对齐。应该24字节。
复制代码

struct S2  s2;
NSLog(@"size :%zu",sizeof(s2));
复制代码

这个时候s2大小为多少？

分析：

• S1：

  • int a占4个字节，从[0~3]。
  • char b占1个字节，[4]。
  • short c占2个字节，须要以2字节对齐，因此跳过5 [6~7]
  • S1总体从0~7不须要补齐。占8字节。

• S2：

  • double a占8字节，[0~7]。
  • char b占1字节，[8]。
  • struct S1 s1占8字节。因为S1内部最大元素为int a因此须要4倍对齐，因此[12~19]。
  • bool c占1字节，[20]。
  • S2总体从0~21一共21字节，须要按S2中最大元素double a补齐。因此应该是24字节。

输出：

size :24
复制代码