iOS底層探索 02-內(nèi)存對齊原理

一. 結(jié)構(gòu)體引入

結(jié)構(gòu)體是由基本數(shù)據(jù)類型或者指針,數(shù)組,結(jié)構(gòu)體/聯(lián)合體/枚舉等類型組成的一種結(jié)構(gòu),我們可以簡單地定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體如下

struct Person {
  char *contact;
  bool sex;
  short int age;
  int height;
  char  name[9];
};

二. 結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小

結(jié)構(gòu)體的大小主要與操作系統(tǒng)地址總線寬度碳柱、編譯器、對齊方式相關(guān)熬芜。

各種數(shù)據(jù)類型在ios中的占用內(nèi)存大小


image

在64位系統(tǒng)下探索結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小


    struct  Person stu;
    stu.sex = NO;
    stu.age = 18;
    stu.contact = "984361822@qq.com";
    stu.height = 20;
    stu.name[0]= 65;
    stu.name[1]= 66;
    stu.name[2]= 65;
    stu.name[3]= 66;
    stu.name[4]= 65;
    stu.name[5]= 66;
    stu.name[6]= 65;
    stu.name[7]= 66;
    stu.name[8]= 65;
    printf("%lu",sizeof(stu)); //32

上面代碼打印出的stu所占內(nèi)存為32個(gè)字節(jié),

\color{#FF0000}{為啥是32個(gè)字節(jié)?}

首先將斷點(diǎn)設(shè)置在如圖位置,當(dāng)斷點(diǎn)斷住時(shí),在調(diào)試區(qū)域可以看到stu對象,右擊stu,選中View Memory of "stu",可以查看stu的內(nèi)存分配


image

從內(nèi)存地址中的值,可以觀察到stu的內(nèi)存分配：


image

成員變量在內(nèi)存中的存儲位置為：


image

  • contact; 是個(gè)指針,在64位系統(tǒng)下占用8個(gè)字節(jié)

  • sex,age,height 共同占用8個(gè)字節(jié)
    sex;實(shí)際占用一個(gè)字節(jié),但需要字節(jié)對齊,sex后會(huì)空一個(gè)字節(jié)
    age 占用2個(gè)字節(jié),
    height;占用8個(gè)字節(jié)

  • name 實(shí)際占用9個(gè)字節(jié),但會(huì)字節(jié)對齊,其后會(huì)預(yù)留7個(gè)字節(jié),以達(dá)到8字節(jié)的對齊

\color{#FF0000}{為啥編譯器會(huì)字節(jié)對齊莲镣？}

  • 平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)涎拉，否則拋出硬件異常瑞侮。

  • 性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于曼库，為了訪問未對齊的內(nèi)存区岗，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問毁枯。

三. 結(jié)構(gòu)體嵌套的內(nèi)存大小


struct Age {
    int age;
    bool sex;
};
struct Human {
    char  name;
    struct Age a1;
};

結(jié)構(gòu)體Age的占用的內(nèi)存大小在64位系統(tǒng)下是8個(gè)字節(jié)慈缔，占用內(nèi)存最大的成員變量是age,占用4個(gè)字節(jié);
結(jié)構(gòu)體Human的尺寸在64位系統(tǒng)下占用12個(gè)字節(jié),由于結(jié)構(gòu)體Age中最大的成員變量是age,占用4個(gè)字節(jié);所以name占用一個(gè)字節(jié)后,將空三個(gè)自己,然后再開始存儲a1;

\color{#FF0000}{總結(jié):內(nèi)存對齊原則}

  • 數(shù)據(jù)成員對?規(guī)則:結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方种玛，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員大小或者成員的子成員大小(只要該成員有子成員藐鹤，比如說是數(shù)組,結(jié)構(gòu)體等)的整數(shù)倍開始

比如int為4字節(jié),則要從4的整數(shù)倍地址開始存
儲瓤檐。

min(當(dāng)前開始的位置m,n)m=9n=4 其中 m表示當(dāng)前成員的開始位置, n表示當(dāng)前成員所需要的位數(shù)。如果滿足條件 m 整除 n （即 m % n == 0）, n 從 m 位置開始存儲, 反之繼續(xù)檢查 m = m+1 能否整除 n, 直到可以整除, 從而就確定了當(dāng)前成員的開始位置娱节。

  • 數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：當(dāng)結(jié)構(gòu)體嵌套了結(jié)構(gòu)體時(shí)挠蛉，作為數(shù)據(jù)成員的結(jié)構(gòu)體的自身長度作為外部結(jié)構(gòu)體的最大成員的內(nèi)存大小，比如結(jié)構(gòu)體a嵌套結(jié)構(gòu)體b肄满，b中有char谴古、int、double等稠歉，則b的自身長度為8

  • 最后結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小必須是結(jié)構(gòu)體中最大成員內(nèi)存大小的整數(shù)倍掰担，不足的需要補(bǔ)齊

案例分析:


image

四. OC類的內(nèi)存優(yōu)化

定義一個(gè)自定義CJLPerson類，并定義幾個(gè)屬性怒炸，
@interface LGPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) long height;

@property (nonatomic) char c1;
@property (nonatomic) char c2;
@end

@implementation LGPerson

@end

在OC類中聲明的實(shí)體屬性會(huì)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)成員带饱。每個(gè)OC類中還會(huì)有一個(gè)隱式的數(shù)據(jù)成員isa，這是一個(gè)指針類型的數(shù)據(jù)成員阅羹，并且是作為類的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員被定義勺疼。

OC類中定義的實(shí)例屬性,系統(tǒng)在編譯時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)帶下劃線的數(shù)據(jù)成員，屬性數(shù)據(jù)成員的內(nèi)存排列順序會(huì)被優(yōu)化處理捏鱼。
存儲順序?yàn)? isa,c1,c2执庐，age,name,nickname,height

直接定義內(nèi)部的數(shù)據(jù)成員不參與排序優(yōu)化，比如下面的形式：


@implementation LGPerson {
   //內(nèi)部的數(shù)據(jù)成員
    int type;
    NSString  *sencondName;
}
@end

上面的實(shí)現(xiàn)中定義了兩個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)成員type,sencondName穷躁。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)編譯器不會(huì)對這些內(nèi)部數(shù)據(jù)成員的順序進(jìn)行優(yōu)化耕肩，而是按定義的順序在內(nèi)存中進(jìn)行排列，并且是優(yōu)先于屬性數(shù)據(jù)成員進(jìn)行排列,type和sencondName排列在isa之后,其他實(shí)例屬性之前.

存儲順序?yàn)? isa,type,sencondName,c1,c2问潭，age,name,nickname,height
注意：type會(huì)占用8個(gè)字節(jié)

五. iOS中獲取內(nèi)存大小的三種方式

  • sizeof:操作符,傳入的可以是數(shù)據(jù)類型和對象,編譯階段就可以確定其大小
  • class_getInstanceSize:用于獲取類的實(shí)例對象所占用的內(nèi)存大小，并返回具體的字節(jié)數(shù)婚被，其本質(zhì)就是獲取實(shí)例對象中成員變量的內(nèi)存大小,obj4中會(huì)進(jìn)行8字節(jié)對齊 
/** 
 * Returns the size of instances of a class.
 * 
 * @param cls A class object.
 * 
 * @return The size in bytes of instances of the class \e cls, or \c 0 if \e cls is \c Nil.
 */
OBJC_EXPORT size_t
class_getInstanceSize(Class _Nullable cls) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);



size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
    return cls->alignedInstanceSize();
}



// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
uint32_t alignedInstanceSize() const {
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}



static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    //8字節(jié)對齊 #define WORD_MASK 7UL
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
  • malloc_size:獲取系統(tǒng)實(shí)際分配的內(nèi)存大小,64位系統(tǒng)下會(huì)進(jìn)行16字節(jié)對齊

六. 內(nèi)存對齊

6.1#pragma pack(n)

每個(gè)平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))狡忙。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)址芯，在ios中灾茁，Xcode默認(rèn)為#pragma pack(8)，即8字節(jié)對齊
通過預(yù)編譯命令#pragma pack()取消自定義字節(jié)對齊方式

#pragma pack(1) //編譯器1字節(jié)對齊存儲
struct Person
{
char sex;
short age;
float weight;
char c1
};
#pragma pack() //取消1字節(jié)對齊谷炸，恢復(fù)默認(rèn)對齊
//sizeof(Person)  = 8

struct Human
{
char sex;
short age;
float weight;
char c1;
};

//sizeof(Human) = 12

6.2 __attribute__((aligned (n)))

__attribute__((aligned (n)))北专，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長度大于n旬陡，則按照最大成員的長度來對齊拓颓。

__attribute__((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過程中的優(yōu)化對齊描孟，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對齊驶睦。

#define PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED Person {//取消字節(jié)對齊
    char sex;
    short age;
    float weight;
};
#pragma pack() //恢復(fù)默認(rèn)對齊
//sizeof(Person)  = 7 ,其中sex占一個(gè)字節(jié)砰左，age占兩個(gè)字節(jié)，weight占4個(gè)字節(jié)

#define PACKED8 __attribute__((aligned (8)))
struct PACKED8 Student{
    char sex;
    short age;
    float weight;
    char c1;
};
#pragma pack() //恢復(fù)默認(rèn)對齊
//sizeof(Student)  = 16  其中sex占一個(gè)字節(jié)场航，空隙1個(gè)字節(jié)缠导，age占兩個(gè)字節(jié)，weight占4個(gè)字節(jié)溉痢，c1占一個(gè)字節(jié)僻造，末尾空隙7個(gè)字節(jié)


struct Human{
    char sex;
    short age;
    float weight;
    char c1;
};
    //sizeof(Human) = 12 ,其中sex占一個(gè)字節(jié)，空隙1個(gè)字節(jié)孩饼，age占兩個(gè)字節(jié)髓削，weight占4個(gè)字節(jié)，c1占一個(gè)字節(jié)捣辆，末尾空隙三個(gè)字節(jié)

可以定義一個(gè)Student對象來斷點(diǎn)查看下內(nèi)存：

 struct Student stu;
    stu.sex = 'M';
    stu.age = 18;
    stu.weight= 50.0;
    stu.c1 = 'A';

內(nèi)存的存儲情況如下：sex占一個(gè)字節(jié)蔬螟，空隙1個(gè)字節(jié)，age占兩個(gè)字節(jié)汽畴，weight占4個(gè)字節(jié)旧巾，c1占一個(gè)字節(jié)，末尾空隙7個(gè)字節(jié)
[圖片上傳失敗...(image-b91ff4-1600327993148)]

6.3 16字節(jié)對齊算法1

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

6.4 16字節(jié)對齊算法2

#define SHIFT_NANO_QUANTUM      4
#define NANO_REGIME_QUANTA_SIZE (1 << SHIFT_NANO_QUANTUM)   // 16

static MALLOC_INLINE size_t
segregated_size_to_fit(nanozone_t *nanozone, size_t size, size_t *pKey)
{
    size_t k, slot_bytes;

    if (0 == size) {
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior
    }
    k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; // round up and shift for number of quanta
    slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;                           // multiply by power of two quanta size
    *pKey = k - 1;                                                  // Zero-based!

    return slot_bytes;
}

6.5 8字節(jié)對齊算法

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
  // 8字節(jié)對齊 #define WORD_MASK 7UL
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
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