iOS底層原理--內(nèi)存對齊

在iOS底層原理--alloc&init&new這篇文章中浦辨，我們認識到了字節(jié)對齊曹体。
那么仆百，我們回顧一下什么是字節(jié)對齊驶社。

字節(jié)對齊

假如一個創(chuàng)建一個對象LGPerson

    //創(chuàng)建LGPerson
     LGPerson *p1 = [LGPerson alloc];

通過調(diào)用

//獲取size
size = cls->instanceSize(extraBytes);

之后得到size = 16。

接下來我們調(diào)用class_getInstanceSize(這個方法是獲取類對象的實際內(nèi)存)

// size  = 8
size_t size = class_getInstanceSize([LGPerson class])

最終得到的size = 8

這就驗證了字節(jié)對齊的存在,而且由于實際大小為8涵防，所以字節(jié)對齊的最小值是16個字節(jié)闹伪。

內(nèi)存對齊

很多 CPU拒絕讀取未對齊數(shù)據(jù)。當一個程序要求這些 CPU 讀取未對齊數(shù)據(jù)時武学，這時 CPU 會進入異常處理狀態(tài)并且通知程序不能繼續(xù)執(zhí)行祭往。而且讀取未對齊的數(shù)據(jù)，會大大降低 CPU 的性能火窒。
CPU把內(nèi)存當成是一塊一塊的，塊的大小可以是2驮肉，4熏矿，8，16字節(jié)大小离钝，因此CPU在讀取內(nèi)存時是一塊一塊進行讀取的票编。每次內(nèi)存存取都會產(chǎn)生一個固定的開銷，減少內(nèi)存存取次數(shù)將提升程序的性能卵渴。所以 CPU 一般會以 2/4/8/16/32 字節(jié)為單位來進行存取操作慧域。我們將上述這些存取單位也就是塊大小稱為（memory access granularity）內(nèi)存存取粒度。

我們用一段代碼來解釋內(nèi)存對齊浪读。

首先我們定義2個結(jié)構(gòu)體

struct LGStruct1 {
    double a;   //占8位
    char b;     //占1位
    int c;      //占4位
    short d;    //占2位
}struct1;

struct LGStruct2 {
    double a;    //占8位
    int b;       //占4位
    char c;      //占1位
    short d;     //占2位
}struct2;

接下來用sizeof(strut)打印結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小昔榴，照理說2個結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容一樣，只是排布順序不同碘橘，大小應(yīng)該一致互订。那么打印結(jié)果如下：

打印結(jié)構(gòu)體.png

明顯看到，2個結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小不一樣痘拆，這就是內(nèi)存對齊產(chǎn)生的影響仰禽。

內(nèi)存對齊的原則

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?個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地?纺蛆，以后每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員??或者成員的?成員??（只要該成員有?成員吐葵，?如說是數(shù)組，結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開始(?如int為４字節(jié),則要從４的整數(shù)倍地址開始存儲桥氏。
結(jié)構(gòu)體作為成員:如果?個結(jié)構(gòu)?有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最?元素??的整數(shù)倍地址開始存儲.(struct a?存有struct b,b?有char,int ,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲.)
收尾?作:結(jié)構(gòu)體的總??,也就是sizeof的結(jié)果,.必須是其內(nèi)部最?成員的整數(shù)倍.不?的要補?温峭。

內(nèi)存對齊的解釋

上面的話太官方了，我們用比較通俗的語言來解釋识颊。

針對上面struct1這個案例來分析诚镰，首先我們已經(jīng)標注出每個成員所占的內(nèi)存大小奕坟。

struct LGStruct1 {
    double a;   //占8位
    char b;     //占1位
    int c;      //占4位
    short d;    //占2位
}struct1;

具體類型在c/oc中所占內(nèi)存大小如圖:

各數(shù)據(jù)類型所占內(nèi)存.png

所以按照規(guī)則來進行操作:

第?個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地?,我們從0開始,double 占8個字節(jié)

double a.png

如上圖，a從0開始清笨，長度為8月杉，所以截止到7。

每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員??或者成員的?成員??抠艾，比如第二個成員為char,char的長度為1苛萎，所以從8開始即可

char b.png

如上圖，b從8開始检号，長度為1腌歉，所以截止到9
還是上面的規(guī)則，第三個成員為int,int的長度為4齐苛，所以要從4的倍數(shù)的位置開始翘盖，而鄰近的4的倍數(shù)的位置為12，所以從12起始

int c.png

如上圖凹蜂，c從12開始馍驯，長度為4，所以截止到15
第四個成員為short,short的長度為2玛痊，所以要從2的倍數(shù)的位置開始汰瘫，而鄰近的2的倍數(shù)的位置為16，所以從16起始

short d.png

如上圖擂煞，d16開始混弥，長度為2，所以截止到17对省。
最后蝗拿，結(jié)構(gòu)體的總??,也就是sizeof的結(jié)果,.必須是其內(nèi)部最?成員的整數(shù)倍。不?的要補?官辽。對于上面的struct1蛹磺，內(nèi)部最大成員為a = 8,它的整數(shù)倍為8 * 3 = 24。

最終長度.png

所以最終長度為24同仆。

接下來萤捆，我們用上面的規(guī)則來看下struct2這個例子。

struct LGStruct2 {
    double a;    //占8位
    int b;       //占4位
    char c;      //占1位
    short d;     //占2位
}struct2;

還是通過示意圖來來解讀俗批。

struct2

最終得出了struct2的長度為16俗或。

結(jié)構(gòu)體的嵌套

接下來，我們來下面這個例子岁忘，結(jié)構(gòu)體struct2中嵌套了一個結(jié)構(gòu)體struct1辛慰。

struct Struct1 {
    double a;  //占8位
    char b;    //占1位
    int c;     //占4位
    short d;   //占2位
}struct1;

struct Struct2 {
    double e;  //占8位
    int f;     //占4位
    char g;    //占1位
    short h;   //占2位
    struct Struct1 I;
}struct2;

首先排列double e,int f,char g,short h，如下圖:

結(jié)構(gòu)體.png
接下來嵌入體,規(guī)則為結(jié)構(gòu)體作為成員:如果?個結(jié)構(gòu)?有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最?元素??的整數(shù)倍地址開始存儲干像。那么針對嵌套的struct1來說帅腌，里面最大的元素為double a,長度為8驰弄。所以最臨近的點為16，所以結(jié)構(gòu)體從16開始速客。

結(jié)構(gòu)體.png

如上圖所示戚篙，實際需要的內(nèi)存大小為33個字節(jié)。
最后溺职，結(jié)構(gòu)體的總??,也就是sizeof的結(jié)果,.必須是其內(nèi)部最?成員的整數(shù)倍岔擂。不?的要補?。按照最大長度的整數(shù)倍浪耘，所以計算得出8 * 5 = 40乱灵，最終長度為40個字節(jié)。

最終長度.png

所以七冲，再看內(nèi)存對齊的規(guī)則會更加清晰痛倚。

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?個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地?癞埠，以后每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員??或者成員的?成員??（只要該成員有?成員状原，?如說是數(shù)組，結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開始(?如int為４字節(jié),則要從４的整數(shù)倍地址開始存儲苗踪。
結(jié)構(gòu)體作為成員:如果?個結(jié)構(gòu)?有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最?元素??的整數(shù)倍地址開始存儲.(struct a?存有struct b,b?有char,int ,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲.)
收尾?作:結(jié)構(gòu)體的總??,也就是sizeof的結(jié)果,.必須是其內(nèi)部最?成員的整數(shù)倍.不?的要補?。

屬性重排（內(nèi)存優(yōu)化）

我們知道削锰，所有的oc對象本質(zhì)上是一個結(jié)構(gòu)體通铲，那么如果按照內(nèi)存對齊對齊的原則的話，我們一定要特別注意屬性存放的位置器贩。因為結(jié)構(gòu)體的大小颅夺，和結(jié)構(gòu)體成員的排列順序有關(guān)。
但是實際上蛹稍，并沒有人去關(guān)注對象屬性的位置吧黄。這就是屬性重排的作用。
通過一個例子來看唆姐。

我們定義一個對象

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface LGPerson : NSObject

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

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

我們給它賦值

//賦值
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
person.name      = @"Cooci";
person.nickName  = @"KC";
person.age       = 18;
person.c1        = 'a';
person.c2        = 'b';

接下來打印數(shù)據(jù),po得出LGPerson的內(nèi)存地址

po.png
通過x/4gx找出LGPerson的屬性地址

x/4gx.png
我們分別打印4個內(nèi)存地址

打印內(nèi)存地址.png

分別能得出LGPerson拗慨、KC、Cooci奉芦。但是77309436513這一串是個亂碼
我們把0x0000001200006261拆分成0x00000012,0x62,0x61,分別得到

image.png

可以得到18,a,b了赵抢。

通過ASCII換算得出97為a,98為b。

我們用一張圖來表示

LGPerson.png

對象的內(nèi)存對齊

我們用一段代碼來展示,還是之前的對象声功，我們來打印一下LGPerson

LGPerson *person = [LGPerson alloc];
person.name      = @"Cooci";
person.nickName  = @"KC";
NSLog(@"%@ - %lu - %lu - %lu",person,sizeof(person),class_getInstanceSize([LGPerson class]),malloc_size((__bridge const void *)(person)));

打印結(jié)果如下：

LGPerson.png

對打印信息進行分析

NSLog(@"%@", person)
這個打印出來的結(jié)果就是LGPerson烦却，包括它的地址信息。
NSLog(@"%lu",sizeof(person))
person實際上是一個指向LGPerson的指針先巴，一個指針有8個字節(jié)其爵，所以大小為8冒冬。不管LGPerson有多大，person的大小一直為8摩渺。
NSLog(@"%lu",class_getInstanceSize([LGPerson class]))
class_getInstanceSize這個方法的作用就是返回對象真正需要的內(nèi)存简烤，進行了長度為8的字節(jié)對齊≈ぢ撸看源碼乐埠，點擊進去，實際走到了這個方法：

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

跟之前的分析方式一樣囚企，傳進去的x = 24,WORD_MASK = 7,相加后

// 7 + 31
x + WORD_MASK = 31

轉(zhuǎn)換成二進制

//31的二進制
0000 0000 0001 1111

~WORD_MASK表示WORD_MASK的二進制取反

//7的二進制取反
1111 1111 1111 1000

最后經(jīng)過與運算,得到

   //31的二進制
   0000 0000 0001 1111
   //7的二進制取反
&1111 1111 1111 1000
   //最終結(jié)果
= 0000 0000 0001 1000

可以看到丈咐，前面3位都抹0，所以可以得出結(jié)論龙宏，對象創(chuàng)建的時候棵逊，真正進行的是8位的字節(jié)對齊银酗。

NSLog(@"%lu",malloc_size((__bridge const void *)(person)))
通過malloc算法進行研究

目前已知的16字節(jié)內(nèi)存對齊算法有兩種：
alloc源碼分析中的align16
malloc源碼分析中的segregated_size_to_fit

#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;
}

NANO_REGIME_QUANTA_SIZE表示的是1左移4位辆影，得到16。

//表示1
0000 0000 0000 0001
//左移4位
0000 0000 0001 0000   = 16

size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1黍特，假如size等于40蛙讥，得出的結(jié)果為55
>> SHIFT_NANO_QUANTUM表示左移4位，

//55的二進制
0000 0000 0011 0111
//左移4位
0000 0000 0000 0011

然后灭衷，k << SHIFT_NANO_QUANTUM次慢，表示右移4位

//k的二進制
0000 0000 0000 0011
//右移4位
0000 0000 0011 0000

可以看到，前面4位都抹0翔曲，所以可以得出結(jié)論迫像，系統(tǒng)進行內(nèi)存分配的時候，進行了16位的內(nèi)存對齊瞳遍。

結(jié)論

雖然我們的結(jié)構(gòu)體遵循內(nèi)存對齊的原則闻妓，但是，它不會隨意的浪費內(nèi)存掠械，會通過內(nèi)存重排的方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化由缆，將多余的內(nèi)存進行合理的利用，盡最大的可能節(jié)省內(nèi)存份蝴。