iOS底層之內(nèi)存對(duì)齊

一朱浴、什么是內(nèi)存對(duì)齊？

內(nèi)存對(duì)齊是一種在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中排列數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為變量的地址）抗蠢、訪問數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為CPU讀取數(shù)據(jù)）的一種方式犬庇。

它包含了兩種相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的部分：基本數(shù)據(jù)對(duì)齊和結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對(duì)齊 俯渤。

二呆细、為什么要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊？

1、平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的絮爷；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)趴酣，否則拋出硬件異常。
2坑夯、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(duì)齊岖寞。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存柜蜈，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問仗谆；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

說的通俗點(diǎn)就是方便讀取淑履，速度快隶垮。

三、內(nèi)存對(duì)齊原則：

1秘噪、數(shù)據(jù)成員對(duì)?規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員狸吞，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員存儲(chǔ)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指煎，比如說是數(shù)組蹋偏，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(chǔ)）。下面咱們用（m, n）來理解一下至壤，其中m為內(nèi)存的起始位置威始，n為當(dāng)前成員的內(nèi)存大小，m像街，n一定要滿足m%n==0字逗。

2、結(jié)構(gòu)體作為成員：如果一個(gè)結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員宅广，則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲(chǔ)(struct a里存有struct b葫掉，b里有char、int 跟狱、double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲(chǔ)俭厚。)

3、收尾工作：結(jié)構(gòu)體的總大小驶臊，也就是sizeof的結(jié)果挪挤，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補(bǔ)?关翎。

各位同學(xué)扛门，能理解上面這些原則嗎，反正光看文字我是理解不了纵寝，沒關(guān)系论寨，咱們是程序員，咱們可以用代碼來解釋。

四葬凳、數(shù)據(jù)成員結(jié)構(gòu)體內(nèi)存分析

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

struct Struct2 {
    double a;   //8
    int b;      //4
    char c;     //1
    short d;    //2
}struct2;
NSLog(@"結(jié)果為：%lu-%lu",sizeof(struct1),sizeof(struct2));

咱們來看下打印結(jié)果

 結(jié)果為：24-16

為什么會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果呢绰垂，咱們來分析一下，不過在分析代碼之前呢咱們先看下各個(gè)類型的內(nèi)存大小

數(shù)據(jù)類型內(nèi)存大小表

下面咱們來分析一下Struct1的結(jié)果：

首先Struct1中以double開始火焰，在內(nèi)存中的地址是0~7劲装。
接下來是char，char占用內(nèi)存大小為1字節(jié)昌简，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為8占业，此時(shí)8%1==0表示可以從此位置開始存放char，在內(nèi)存中的地址是8纯赎。
然后是int纺酸，int占用內(nèi)存大小為4字節(jié)，此時(shí)在內(nèi)存中的起始位置為9址否，但是現(xiàn)在9%4 != 0餐蔬，所以此時(shí)只能向后移，找到一個(gè)能被4整除的數(shù)佑附，下一個(gè)能被4整除的數(shù)是12樊诺，所以此時(shí)int的起始位置為12，長度為4字節(jié)音同，在內(nèi)存中的地址是12~15词爬。
最后是short，short占用內(nèi)存2字節(jié)权均，此時(shí)內(nèi)存中的起始位置為16顿膨，16%2==0成立，所以short在內(nèi)存中的起始位置是16叽赊，長度為2恋沃，在內(nèi)存中的地址是16~17。
由上述結(jié)果可得Struct1在內(nèi)存中占用18個(gè)字節(jié)必指，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊第三條原則囊咏，Struct1內(nèi)部最大成員為double為8字節(jié)，所以Struct1最終占用的內(nèi)存大小為24字節(jié)塔橡。由此可以得出下圖：

Struct1內(nèi)存分布圖

同理梅割，我們再來分析一下Struct2的結(jié)果：

首先Struct2中以double開始，在內(nèi)存中的地址是0~7葛家。
然后是int户辞，int占用內(nèi)存大小為4字節(jié)，此時(shí)在內(nèi)存中的起始位置為8癞谒，8%4 == 0等式成立底燎，所以此時(shí)int的起始位置為8刃榨，長度為4字節(jié)，在內(nèi)存中的地址是8~11书蚪。
接下來是char，char占用內(nèi)存大小為1字節(jié)迅栅，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為12殊校，此時(shí)12%1==0等式成立表示可以從此位置開始存放char，在內(nèi)存中的地址是12读存。
最后是short为流，short占用內(nèi)存2字節(jié)，此時(shí)內(nèi)存中的起始位置為13让簿，13%2==0等式不成立敬察，需要向后移，找到一個(gè)能被2整除的數(shù)尔当，所以short在內(nèi)存中的起始位置是14莲祸，長度為2，在內(nèi)存中的地址是14~15椭迎。
有上述結(jié)果可得Struct2在內(nèi)存中占用16個(gè)字節(jié)锐帜，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則第三條，Struct2內(nèi)部最大成員為double為8字節(jié)畜号，所以Struct2最終占用的內(nèi)存大小為16字節(jié)缴阎。由此可得出下圖：

Struct2內(nèi)存分布圖

這就是Struct1和Struct2結(jié)果不同的原因。
由此我們可以得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小與結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的成員變量的順序有關(guān)简软。

五蛮拔、嵌套結(jié)構(gòu)體內(nèi)存分析

struct Struct3 {
    double a;              //8
    char b;                //4
    struct Struct1 c;      //24
    short d;               //2
}struct3;

struct Struct4 {
    double a;              //8
    char b;                //1
    short c;               //2
    struct Struct2 d;      //16
}struct4;
NSLog(@"結(jié)果為：%lu-%lu",sizeof(struct3),sizeof(struct4));

咱們來看下打印結(jié)果

結(jié)果為：48-32

我們來分析下Struct3的結(jié)果:

首先Struct3中以double開始，在內(nèi)存中的地址是0~7痹升。
接下來是char建炫，char占用內(nèi)存大小為1字節(jié)，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為8疼蛾，此時(shí)8%1==0等式成立表示可以從此位置開始存放char踱卵，在內(nèi)存中的地址是8，在內(nèi)存中的地址是8据过。
然后是結(jié)構(gòu)體Struct1惋砂，由上面的結(jié)論得知Struct1的大小為24字節(jié)，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為9绳锅，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則第二條得知需從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲(chǔ)西饵，Struct1中最大的為double占8字節(jié)，9%8 == 0不成立鳞芙，所以取最近的一個(gè)能被8整除的數(shù)為16眷柔，所以Struct1在內(nèi)存中的起始位置為16期虾，長度為24，在內(nèi)存中的地址是16~39驯嘱。
最后是short镶苞，short占用內(nèi)存2字節(jié)，此時(shí)內(nèi)存中的起始位置為40鞠评，40%2==0等式成立茂蚓，起始位置是40，長度為2剃幌，在內(nèi)存中的地址是40~41聋涨。
有上述結(jié)果可得Struct3在內(nèi)存中占用42個(gè)字節(jié)，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則负乡，Struct3內(nèi)部包括子成員Struct1內(nèi)部最大成員為double為8字節(jié)牍白，所以Struct3最終占用的內(nèi)存大小為48字節(jié)。由此可得出下圖：

Struct3內(nèi)存分布圖

我們來分析下Struct4的結(jié)果:

首先Struct4中以double開始抖棘，在內(nèi)存中的地址是0~7茂腥。
接下來是char，char占用內(nèi)存大小為1字節(jié)切省，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為8础芍，此時(shí)8%1==0等式成立表示可以從此位置開始存放char，在內(nèi)存中的地址是8数尿，在內(nèi)存中的地址是8仑性。
然后是short，short占用內(nèi)存2字節(jié)右蹦，此時(shí)內(nèi)存中的起始位置為9诊杆，9%2==0等式不成立，其后能被2整除的數(shù)為10何陆，那么起始位置是10晨汹，長度為2，在內(nèi)存中的地址是10~11贷盲。
最后是結(jié)構(gòu)體Struct2淘这，由上面的結(jié)論得知Struct2的大小為16字節(jié)，此時(shí)在內(nèi)存中的起始地址為12巩剖，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則第二條得知需從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲(chǔ)铝穷，Struct2中最大的為double占8字節(jié)，12%8 == 0不成立佳魔，所以取最近的一個(gè)能被8整除的數(shù)為16曙聂，所以Struct2在內(nèi)存中的起始位置為16，長度為16鞠鲜，在內(nèi)存中的地址是16~31宁脊。
有上述結(jié)果可得Struct4在內(nèi)存中占用32個(gè)字節(jié)断国，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則，Struct4內(nèi)部包括子成員Struct1內(nèi)部最大成員為double為8字節(jié)榆苞，所以Struct4最終占用的內(nèi)存大小為32字節(jié)稳衬。由此可得出下圖：

Struct4內(nèi)存分布圖

以上就是我對(duì)內(nèi)存對(duì)齊原則的理解，如果有不同意見的同學(xué)歡迎留言給我坐漏。