一脓魏、instanceSize方法的底層實(shí)現(xiàn)

首先需要知道罢猪，對象的內(nèi)存空間里存放的是對象的屬性师抄，所以計(jì)算內(nèi)存大小即為計(jì)算所有屬性所占的內(nèi)存大小谐区，先看下objc源碼的底層實(shí)現(xiàn)：

size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {

    //方式一：編譯器快速計(jì)算內(nèi)存大泻伞（16字節(jié)對齊）
    if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
        return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
    }

    //方式二：計(jì)算類中所有屬性和方法的內(nèi)存占用 + 額外的字節(jié)數(shù)0（8字節(jié)對齊）
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    //CF requires all objects be at least 16 bytes.
    //最少申請16字節(jié)的內(nèi)存大小
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

上面兩個方式的區(qū)別，在于將對象所有屬性所占的內(nèi)存大小采取不同的對齊方式宋列，方式一是16字節(jié)對齊昭抒，方式二是8字節(jié)對齊。

注意炼杖，在不同版本的objc源碼中灭返，instanceSize方法的底層實(shí)現(xiàn)可能是不一樣的，本文參照的是最新的objc-781源碼坤邪，里面會有這兩種計(jì)算方式熙含，但是實(shí)際運(yùn)行，其實(shí)是以方式一來計(jì)算的罩扇，16字節(jié)內(nèi)存對齊婆芦。而在老版本的objc源碼中怕磨，比如objc-750源碼喂饥，里面只有方式二的計(jì)算方式消约，采取的是8字節(jié)對齊。

//objc-750源碼中的instanceSize方法
size_t instanceSize(size_t extraBytes) {

    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

雖然這個方法的底層實(shí)現(xiàn)不會頻繁更新员帮，但大家以后在分析時或粮，最好是參照最新的objc源碼進(jìn)行分析。話不多說捞高，接下來分析這兩種方式具體是怎么計(jì)算的氯材。

1.1 十六字節(jié)對齊 - fastInstanceSize

從源碼中可知，是在fastInstanceSize方法里完成內(nèi)存計(jì)算的：

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
    } else {
        size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
        // by setFastInstanceSize
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

編譯器快速計(jì)算出需要的size后硝岗，最后會執(zhí)行align16方法氢哮，即『16字節(jié)對齊』。

static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

系統(tǒng)在計(jì)算出內(nèi)存size后型檀，會先加15冗尤，再與個非15，這樣就實(shí)現(xiàn)了16字節(jié)對齊胀溺。接下來通過兩組二進(jìn)制運(yùn)算來直觀地看看字節(jié)對齊后的結(jié)果：

//已知： 15的二進(jìn)制為： 0000 1111   
//      ~15的二進(jìn)制為：1111 0000

//假設(shè)計(jì)算出當(dāng)前類需要的內(nèi)存大小為12字節(jié)裂七，則16字節(jié)對齊的計(jì)算過程如下：
0000 1100    // 12字節(jié)
0000 1111    // +15
0001 1011    // = 27
1111 0000    // ~15
0001 0000    // 27 & (~15)  = 16

//假設(shè)計(jì)算出當(dāng)前類需要的內(nèi)存大小為24字節(jié)，則16字節(jié)對齊的計(jì)算過程如下：
0001 1000    // 24字節(jié)
0000 1111    // +15
0010 0111    // = 39
1111 0000    // ~15
0010 0000    // 39 & (~15)  = 32

從上面兩組二進(jìn)制運(yùn)算得知仓坞，12字節(jié)背零、24字節(jié)的內(nèi)存經(jīng)由16字節(jié)對齊后，實(shí)際申請內(nèi)存大小分別為16字節(jié)无埃、32字節(jié)徙瓶。因此，不管對象屬性實(shí)際需要多大的內(nèi)存空間嫉称，在新版本中侦镇，系統(tǒng)都會以16字節(jié)的倍數(shù)來申請內(nèi)存空間，并且最少16字節(jié)澎埠，這就是『16字節(jié)對齊』虽缕。

1.2 八字節(jié)對齊 - alignedInstanceSize

size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;

在實(shí)例化對象時，經(jīng)由斷點(diǎn)調(diào)試可知蒲稳，extraBytes為0氮趋，所以內(nèi)存大小依賴于alignedInstanceSize方法計(jì)算：

uint32_t alignedInstanceSize() {

    //step1：通過unalignedInstanceSize方法獲取到需要的內(nèi)存大小
    //step2：通過word_align方法對內(nèi)存大小進(jìn)行8字節(jié)運(yùn)算
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}

可以看到，class_getInstanceSize方法最終實(shí)現(xiàn)就兩步江耀，先獲取到對象屬性所占的內(nèi)存大小剩胁，再將內(nèi)存大小進(jìn)行8字節(jié)對齊運(yùn)算。

• unalignedInstanceSize

uint32_t unalignedInstanceSize() const {
    ASSERT(isRealized());
    return data()->ro()->instanceSize;
}

這一步獲取到的是對象的屬性所占的內(nèi)存大小祥国，ro是個很重要的知識點(diǎn)昵观，會在后續(xù)介紹類和對象的結(jié)構(gòu)時作詳細(xì)講解晾腔，本篇文章就不作過多拓展了。

• word_align

#define WORD_MASK 7UL
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

WORD_MASK的值為7啊犬，這里其實(shí)是對內(nèi)存大小作8字節(jié)對齊運(yùn)算灼擂。對齊計(jì)算和上文的16進(jìn)制對齊一樣，大家可以自己進(jìn)行二進(jìn)制演算觉至，這里就不再推演了剔应。在完成8字節(jié)對齊運(yùn)算后，還會再判斷size的大小语御，如果小于16峻贮，就申請16字節(jié)的內(nèi)存。 也就是說应闯，不管對象的屬性實(shí)際需要多大的內(nèi)存纤控，在老版本中，系統(tǒng)都會以8字節(jié)的倍數(shù)來申請內(nèi)存空間碉纺，并且最少16字節(jié)船万。

二、對內(nèi)存進(jìn)行字節(jié)對齊的原因

理解了內(nèi)存對齊邏輯后惜辑，可能會有疑問唬涧，為什么要對內(nèi)存進(jìn)行字節(jié)對齊呢？為什么不按對象屬性實(shí)際占用的內(nèi)存大小來分配內(nèi)存呢盛撑？經(jīng)由字節(jié)對齊后碎节，分配的空間要比實(shí)際需要的多，這樣會不會造成內(nèi)存浪費(fèi)抵卫？

在解答這些疑問前狮荔，我們需要先清楚，對象里可能會有多種數(shù)據(jù)類型的屬性介粘，這些屬性占用內(nèi)存大小是不一樣的殖氏，如果直接按照實(shí)際需要內(nèi)存進(jìn)行分配，則cpu在讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)時需要先知道每個數(shù)據(jù)占用多大內(nèi)存姻采，這樣才能保證讀取的數(shù)據(jù)是完整的雅采，讀取效率較低。

下面這個表格是各種類型數(shù)據(jù)分別在32位和64位系統(tǒng)中占用內(nèi)存的大小慨亲，單位：字節(jié)婚瓜。（注：本文都是基于64位系統(tǒng)分析的）

從表格里清晰的看到蛉签，屬性最多占用8字節(jié)內(nèi)存胡陪。而對象里最常見的屬性是指針類型沥寥，指針類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存里也是占用8字節(jié)的大小。這樣柠座，以8字節(jié)的倍數(shù)來開辟內(nèi)存空間邑雅，CPU再以8字節(jié)為一段進(jìn)行讀取，既能保證每個數(shù)據(jù)讀取的完整性愚隧，又能提高讀取效率蒂阱，這就是最初系統(tǒng)8字節(jié)對齊的原因锻全。

舉個例子狂塘，創(chuàng)建一個Person對象，對象里有多種數(shù)據(jù)類型的屬性鳄厌，來看看字節(jié)對齊對分配內(nèi)存的影響荞胡。(注：這里只是看下字節(jié)對齊的影響，就先不考慮isa指針了)

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSString *name;  //8
@property (nonatomic, strong) NSString *sex;   //8
@property (nonatomic, assign) int age;         //4
@property (nonatomic, assign) long height;     //8
@property (nonatomic) char c1;    //1
@property (nonatomic) char c2;    //1

@end

如果不作字節(jié)對齊了嚎，那么系統(tǒng)分配內(nèi)存會是下面的情況：

image

系統(tǒng)如果以屬性實(shí)際占用內(nèi)存大小來分配泪漂，雖然有效利用了內(nèi)存空間，但是在讀取數(shù)據(jù)時歪泳，CPU就需要預(yù)先知道每個屬性占用的內(nèi)存大小萝勤，并按對應(yīng)字節(jié)長度讀取讀取內(nèi)存，否則讀取的數(shù)據(jù)就不完整呐伞。
比如敌卓，在上圖中，若讀取age數(shù)據(jù)伶氢，如果此時CPU不按照4字節(jié)長度來讀取趟径，要么沒讀取到完整的age數(shù)據(jù)，要么會越界讀到height的數(shù)據(jù)癣防。
因此蜗巧，系統(tǒng)如果以屬性實(shí)際占用內(nèi)存大小來分配，CPU讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)時既不安全蕾盯，效率也低幕屹。

所以系統(tǒng)會對內(nèi)存進(jìn)行字節(jié)對齊，內(nèi)存分配情況大致如下（注：不是一定按照這個順序的）：

image

若進(jìn)行字節(jié)對齊级遭，在分配內(nèi)存時望拖，會進(jìn)行屬性重排，將age装畅、c1靠娱、c2（總共6字節(jié)）這三個屬性存在一個8字節(jié)段中，在讀取數(shù)據(jù)時掠兄，CPU也是按照8字節(jié)為一段來讀取像云，這樣既能保證讀取數(shù)據(jù)的完整性锌雀，又能提高讀取效率。雖說會多開辟幾字節(jié)的內(nèi)存空間迅诬，但是保證了讀取安全腋逆，提高了讀取效率，完全是值得的侈贷。而且鑒于現(xiàn)在設(shè)備內(nèi)存越來越大惩歉，這種『以空間換時間』來提高效率的方式，會越來越常見俏蛮。

三撑蚌、計(jì)算對象申請的內(nèi)存空間大小

內(nèi)存空間里保存的是對象的屬性，所以計(jì)算內(nèi)存空間大小即是統(tǒng)計(jì)對象所有屬性所占的內(nèi)存大小搏屑。需要注意的是争涌，對象都是繼承自NSObject的，NSObject里有個isa成員屬性辣恋，是指針類型亮垫，需要占用8字節(jié)內(nèi)存。

//NSObjct的結(jié)構(gòu)
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

isa的具體用途后面會講解伟骨，本文不再拓展饮潦。在接下來的內(nèi)存計(jì)算中，都需要加上其占用的8字節(jié)內(nèi)存携狭。

按照前面的思路继蜡，計(jì)算對象實(shí)例化時申請的內(nèi)存空間大小，即先統(tǒng)計(jì)所有屬性所占的內(nèi)存大小暑中，然后再進(jìn)行16字節(jié)對齊就可得到壹瘟。那怎么印證這個計(jì)算規(guī)則呢？最直觀的方法就是獲取并打印對象的內(nèi)存size鳄逾，之前有看過其他文章稻轨，很多都是通過class_getInstanceSize方法來獲取的，先來看下這個方法的實(shí)現(xiàn)邏輯：

size_t class_getInstanceSize(Class cls){

    if (!cls) return 0;
    return cls->alignedInstanceSize();
}

可以看到雕凹，class_getInstanceSize方法里面調(diào)用的是alignedInstanceSize方法殴俱，就回到了上文1.2里面的八字節(jié)對齊處理了，所以如果是老版本枚抵，就可以正常使用线欲，對于新版本的16字節(jié)對齊就不適用了。在新版本里可以改寫這個方法的對齊運(yùn)算汽摹，然后再使用李丰，比如這樣：

//將8字節(jié)對齊改成16字節(jié)對齊
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
//    return cls->alignedInstanceSize();
    return cls->instanceSize(0);
}

但為了更直觀的區(qū)分8字節(jié)和16字節(jié)的對齊結(jié)果，這里我選擇在class_createInstanceFromZone方法里打印需要申請的內(nèi)存大小逼泣。

• 先在objc-runtime-new.h文件里添加一個老版本8字節(jié)對齊的方法趴泌。

//這也是objc-750版本的instanceSize方法
size_t oldInstanceSize(size_t extraBytes) const {

    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

• 然后在class_createInstanceFromZone方法里再獲取一個8字節(jié)對齊的結(jié)果舟舒，并將兩種對齊方式的內(nèi)存大小打印出來。

//這是原本的16字節(jié)對齊計(jì)算
size_t size;
size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

//這里再獲取一個8字節(jié)對齊結(jié)果
size_t size8;
size8 = cls->oldInstanceSize(extraBytes);

//打印兩個結(jié)果
printf("size16 = %lu \nsize8 = %lu\n", size, size8);

• 最后實(shí)例化Person對象嗜憔，打印結(jié)果秃励。為了對比更加直觀，也打印出通過class_getInstanceSize方法獲取到的內(nèi)存大小吉捶。

準(zhǔn)備工作完成夺鲜，那接下來分析在各種情況下創(chuàng)建Person對象需要申請的內(nèi)存空間大小。

3.1 不含任何自定義屬性的Person對象

//不含自定義屬性的Person對象
@interface Person : NSObject
@end

//創(chuàng)建Person對象呐舔，打印內(nèi)存大小
Person *person = [[Person alloc] init];
NSLog(@"class_getInstanceSize = %lu", class_getInstanceSize([Person class]));

//打印結(jié)果
size16 = 16                 //16字節(jié)對齊的結(jié)果
size8 = 16                  //8字節(jié)對齊的結(jié)果
class_getInstanceSize = 8   //獲取的8字節(jié)對齊的內(nèi)存

person對象里只有一個isa屬性币励，占8字節(jié)，那屬性總共占用8字節(jié)的內(nèi)存大凶淘纭：

• size16 = 16：經(jīng)由16字節(jié)對齊后榄审，結(jié)果為16字節(jié)。
• size8 = 16：經(jīng)由8字節(jié)對齊后杆麸，結(jié)果為8字節(jié)。但oldInstanceSize方法最后對內(nèi)存大小進(jìn)行了判斷浪感，如果小于16昔头，就返回16。
• class_getInstanceSize = 8：這個方法只作了8字節(jié)對齊影兽，所以返回為8揭斧。

3.2 自定義指針類型屬性的Person對象

//聲明兩個指針類型的屬性
@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSString *name;  //8
@property (nonatomic, strong) NSString *sex;   //8

@end

//創(chuàng)建Person對象，打印內(nèi)存大小
Person *person = [[Person alloc] init];
NSLog(@"class_getInstanceSize = %lu", class_getInstanceSize([Person class]));

//打印結(jié)果
size16 = 32                  //16字節(jié)對齊的結(jié)果
size8 = 24                   //8字節(jié)對齊的結(jié)果
class_getInstanceSize = 24   //獲取的8字節(jié)對齊的內(nèi)存

person對象里有三個指針類型的數(shù)據(jù)（isa峻堰，name讹开，sex），屬性總共占用24字節(jié)的內(nèi)存大芯杳：

• size16 = 32：經(jīng)由16字節(jié)對齊后旦万，結(jié)果為32字節(jié)。
• size8 = 24：經(jīng)由8字節(jié)對齊后镶蹋，結(jié)果為24字節(jié)成艘。
• class_getInstanceSize = 24：這個方法只作了8字節(jié)對齊，所以返回為24贺归。

3.3 自定義多種數(shù)據(jù)類型屬性的Person對象

//Person類里自定義了多種類型的屬性
@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSString *name;  //8
@property (nonatomic, strong) NSString *sex;   //8
@property (nonatomic, assign) int age;         //4
@property (nonatomic, assign) long height;     //8
@property (nonatomic) char c1;                 //1
@property (nonatomic) char c2;                 //1

@end

//創(chuàng)建Person對象淆两，打印內(nèi)存大小
Person *person = [[Person alloc] init];
NSLog(@"class_getInstanceSize = %lu", class_getInstanceSize([Person class]));

//打印結(jié)果
size16 = 48                  //16字節(jié)對齊的結(jié)果
size8 = 40                   //8字節(jié)對齊的結(jié)果
class_getInstanceSize = 40   //獲取的8字節(jié)對齊的內(nèi)存

person對象里的屬性總共占用38字節(jié)的內(nèi)存大小：

• size16 = 48：經(jīng)由16字節(jié)對齊后拂酣，結(jié)果為48字節(jié)秋冰。
• size8 = 40：經(jīng)由8字節(jié)對齊后，結(jié)果為40字節(jié)婶熬。
• class_getInstanceSize = 40：這個方法只作了8字節(jié)對齊剑勾，所以返回為40光坝。

3.4 對象里包含結(jié)構(gòu)體成員屬性

在Person對象里添加結(jié)構(gòu)體成員，再看下打印結(jié)果甥材。

//聲明一個結(jié)構(gòu)體struct1盯另，根據(jù)前面的分析可知，內(nèi)存為24洲赵。
struct Struct1 {
    double a;   // 8 
    char b;     // 1
    int c;      // 4
    short d;    // 2
};

//在person最后面添加一個struct1的類
@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSString *name;  //8
@property (nonatomic, assign) int age;         //4
@property (nonatomic, assign) long height;     //8
@property (nonatomic) char c1;    //1
@property (nonatomic) struct Struct1 str;    //24

@end

//創(chuàng)建Person對象鸳惯，打印內(nèi)存大小
Person *person = [[Person alloc] init];
NSLog(@"class_getInstanceSize = %lu", class_getInstanceSize([Person class]));

//打印結(jié)果
size16 = 64                  //16字節(jié)對齊的結(jié)果
size8 = 56                   //8字節(jié)對齊的結(jié)果
class_getInstanceSize = 56   //獲取的8字節(jié)對齊的內(nèi)存

person對象其他屬性占用了29個字節(jié)，在對象內(nèi)存里存放在位置0-28 叠萍。結(jié)構(gòu)體str成員芝发，本應(yīng)該在位置29處開始存放，但根據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊規(guī)則苛谷，當(dāng)結(jié)構(gòu)體作為成員時辅鲸，則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最?元素所占內(nèi)存??的整數(shù)倍地址開始存儲，結(jié)構(gòu)體str里最大成員占用8字節(jié)內(nèi)存腹殿，所以str需要從8的整數(shù)倍開始存儲独悴，即從位置32開始存放，存放位置為32-55锣尉，所以最后person對象需要56字節(jié)內(nèi)存：

• size16 = 64：經(jīng)由16字節(jié)對齊后刻炒，結(jié)果為64字節(jié)。
• size8 = 56：經(jīng)由8字節(jié)對齊后自沧，結(jié)果為56字節(jié)坟奥。
• class_getInstanceSize = 56：這個方法只作了8字節(jié)對齊，所以返回為56拇厢。

通過分析上述示例的打印結(jié)果爱谁，均可印證前面說的內(nèi)存大小的計(jì)算規(guī)則：先統(tǒng)計(jì)所有屬性所占的內(nèi)存大小，然后再進(jìn)行16字節(jié)對齊孝偎。簡單數(shù)據(jù)類型的屬性所占內(nèi)存比較容易統(tǒng)計(jì)访敌，但對于比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如說結(jié)構(gòu)體(struct)邪媳，它的內(nèi)存計(jì)算就需要遵循『內(nèi)存對齊規(guī)則』捐顷。

四、總結(jié)

• 對象的內(nèi)存大小依賴其包含的屬性雨效，所以在實(shí)例化對象時迅涮，系統(tǒng)會先統(tǒng)計(jì)對象所有屬性所占的內(nèi)存大小，再經(jīng)由16字節(jié)對齊（老版本是8字節(jié)對齊）徽龟，計(jì)算出需要申請的內(nèi)存空間大小叮姑，所以對象的內(nèi)存大小只會是16的整數(shù)倍，并且最少申請16字節(jié)大小的內(nèi)存。

• 對內(nèi)存大小作16字節(jié)對齊或8字節(jié)對齊传透，主要是為了保證cpu讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的安全耘沼，以及提高讀取效率。

• 若數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)體(struct)朱盐，在計(jì)算內(nèi)存大小時需要遵循結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊原則群嗤，詳細(xì)介紹可參考下方推薦閱讀里的『數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) -- 結(jié)構(gòu)體Struct』一文。

五兵琳、幫助

在打印內(nèi)存大小時狂秘，可能會需要下面這三個方法：

• sizeof：是一個運(yùn)算符，用來計(jì)算傳進(jìn)來的數(shù)據(jù)類型占用多大的內(nèi)存躯肌，在編譯時即可完成運(yùn)算者春。
• class_getInstanceSize：獲取對象實(shí)例化時需要申請的內(nèi)存大小，采取的是8字節(jié)對齊方式清女，調(diào)用時需要先引用#import <objc/runtime.h>钱烟。
• malloc_size：獲取對象實(shí)例化時系統(tǒng)實(shí)際開辟的內(nèi)存大小，采取的是16字節(jié)對齊方式嫡丙，調(diào)用時需要先引用#import <malloc/malloc.h>拴袭。