iOS-底層原理 04:內(nèi)存對齊

計(jì)算內(nèi)存方法

首先我們要知道計(jì)算內(nèi)存大小的三種方式：

sizeof
class_getInstanceSize；
malloc_size缀拭。

接下來我們定義一個LGPerson類智厌，分析這三種方法盲赊。代碼如下:

LGPerson * p = [LGPerson alloc];
LGPerson * q;
NSLog(@"對象類型占用內(nèi)存大小=%lu",sizeof(p));
NSLog(@"對象類型占用內(nèi)存大小=%lu",sizeof(q));
NSLog(@"對象實(shí)際內(nèi)存大小====%lu",class_getInstanceSize([p class]));
NSLog(@"對象實(shí)際內(nèi)存大小====%lu",class_getInstanceSize([q class]));
NSLog(@"對象實(shí)際分配內(nèi)存大小=%lu",malloc_size((__bridge const void *)(p)));
NSLog(@"對象實(shí)際分配內(nèi)存大小=%lu",malloc_size((__bridge const void *)(q)));

打印結(jié)果:

2020-09-29 14:02:17.810194+0800 KCObjc[20870:761876] 對象類型占用內(nèi)存大小=8
2020-09-29 14:02:17.810897+0800 KCObjc[20870:761876] 對象類型占用內(nèi)存大小=8
2020-09-29 14:02:17.811068+0800 KCObjc[20870:761876] 對象實(shí)際內(nèi)存大小====8
2020-09-29 14:02:17.811165+0800 KCObjc[20870:761876] 對象實(shí)際內(nèi)存大小====0
2020-09-29 14:02:17.811265+0800 KCObjc[20870:761876] 對象實(shí)際分配內(nèi)存大小=16
2020-09-29 14:02:17.811352+0800 KCObjc[20870:761876] 對象實(shí)際分配內(nèi)存大小=0

由打印結(jié)果可以分析出

sizeof()傳入是類型诚卸，可以放基本數(shù)據(jù)類型绘迁、對象缀台、指針√鸥可用來計(jì)算類型占用內(nèi)存大小，這個在編譯器編譯階段就會確定辩涝，所以sizeof(p)和sizeof(q)的結(jié)果都是一樣的勘天，p和q都是指針類型捉邢，指針大小為8個字節(jié)伏伐。
class_getInstanceSize計(jì)算對象的實(shí)際內(nèi)存大小翘狱，大小由類的屬性和變量來決定，實(shí)際上并不是嚴(yán)格意義上的對象內(nèi)存大小。由下面代碼可知茬缩，底層進(jìn)行8字節(jié)對齊凰锡。

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

LGPerson類中沒有其他的屬性和變量圈暗，但是繼承了NSObject员串，NSObject中有一個isa指針寸齐，所以內(nèi)存大小是8字節(jié)。

malloc_size系統(tǒng)分配的內(nèi)存大小扰法，是按16字節(jié)對齊的方式塞颁，即是按16的倍數(shù)分配祠锣，不足則系統(tǒng)會自動填充字節(jié)珍语。

內(nèi)存對齊原則

每個特定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))板乙。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)拳氢，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)馋评，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”留特。在iOS中蜕青，Xcode默認(rèn)為#pragma pack(8)糊渊，即`8字節(jié)對齊渺绒。
內(nèi)存對齊原則主要有以下三點(diǎn):

數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：struct(結(jié)構(gòu))或者union(聯(lián)合)的數(shù)據(jù)成員宗兼，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方殷绍，以后每個數(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殖侵，比如數(shù)據(jù)拢军、結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開始（例如int在32位機(jī)中是4字節(jié)怔鳖，則要從4的整數(shù)倍地址開始存儲）
數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：如果一個結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員结执，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（例如：struct a里面存有struct b献幔，b里面有char(1字節(jié))、int(4字節(jié))蹬蚁、double(8字節(jié))等元素，則b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲）
結(jié)構(gòu)體的整體對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)體的總大小贝乎，即sizeof的結(jié)果览效，必須是其內(nèi)部做大成員的整數(shù)倍锤灿，不足的要補(bǔ)齊

下表是各種數(shù)據(jù)類型在iOS中的占用內(nèi)存大小,根據(jù)對應(yīng)類型來計(jì)算結(jié)構(gòu)體中內(nèi)存大小

數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的字節(jié)數(shù)表格

結(jié)構(gòu)體對齊

如下代碼衡招，我們用實(shí)例進(jìn)行探究結(jié)構(gòu)體對齊:

struct LGStruct1{
    long    a; // 8
    int     b; // 4
    short   c; // 2
    char    d; // 1
} LGStruct1;

struct LGStruct2{
    long    a; // 8
    char    d; // 1
    int     b; // 4
    short   c; // 2
} LGStruct2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"---%lu------%lu",sizeof(LGStruct1),sizeof(LGStruct2));
    }
    return 0;
}

打印結(jié)果

2020-09-29 15:52:17.811352+0800 KCObjc[20870:761876] -----16------24

由上述代碼可看出兩個結(jié)構(gòu)體定義的變量和變量類型都一致，唯一的區(qū)別只是在于定義變量的順序不一致空执，那么為什么會占用的內(nèi)存大小不相等呢穗椅？其實(shí)這就是iOS中的內(nèi)存對齊原則匹表。下面我們就根據(jù)內(nèi)存對齊原則來進(jìn)行簡單的分析和計(jì)算LGStruct1內(nèi)存大小的詳細(xì)過程：

變量a: 占8個字節(jié)默蚌，從0開始苇羡，min(0设江，8)叉存，即0 ~ 7存儲a
變量b: 占4個字節(jié)歼捏，從8開始笨篷，min(8冕屯，4)安聘，即8 ~ 11存儲b
變量c: 占2個字節(jié)浴韭，從12開始脯宿，min(12，2)榴芳，即12~ 13 存儲c
變量d: 占1個字節(jié)窟感，從14開始歉井，min(14，1)躏嚎，即14存儲d

因此LGStruct1的內(nèi)存大小是15字節(jié)卢佣，而LGStruct1中最大的變量是a占8個字節(jié)菜谣，所以LGStruct1需要實(shí)際內(nèi)存必須是8的倍數(shù)(內(nèi)存對齊原則)珠漂，15字節(jié)不是8的倍數(shù)，15向上取整到16 尾膊，所以系統(tǒng)自動填充成16字節(jié)媳危，最終sizeof(LGStruct1)的大小是16.

image.png

LGStruct2內(nèi)存大小的詳細(xì)過程

變量a: 占8個字節(jié)，從0開始冈敛，min(0待笑，8)，即0 ~ 7存儲a
變量d: 占1個字節(jié)抓谴，從8開始暮蹂，min(8荆陆，1)，即8 存儲d
變量b: 占4個字節(jié)浓体，從9開始，min(9生闲，4)飞醉，9 % 4 != 0，繼續(xù)往后移動直到找到可以整除4的位置12，min(12失暂，4)，即12 ~ 15 存儲b
變量c: 占2個字節(jié)，從16開始系宫，min(16椒惨，2)，即16 ~ 17存儲c
因此LGStruct2的需要的內(nèi)存大小為18字節(jié)，而LGStruct2中最大變量long的字節(jié)數(shù)為8，所以LGStruct2實(shí)際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍忱叭，18向上取整到24，主要是因?yàn)?4是8的整數(shù)倍撵彻，所以 sizeof(LGStruct2) 的結(jié)果是24

LGStruct2內(nèi)存中的存儲情況圖

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

上面的2個示例只是簡單的定義數(shù)據(jù)成員碗短，如果我們在結(jié)構(gòu)體中嵌套結(jié)構(gòu)體結(jié)果又會是怎樣的？我們繼續(xù)探究巡雨，看下面代碼:

struct LGStruct3{
    long    a; // 8
    int     b; // 4
    short   c; // 2
    char    d; // 1
    struct LGStruct1 Str;
}LGStruct3;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"LGStruct1----%lu",sizeof(LGStruct1));
        NSLog(@"LGStruct2----%lu",sizeof(LGStruct2));
        NSLog(@"LGStruct3----%lu",sizeof(LGStruct3));
    }
    return 0;
}
//結(jié)果
2020-09-30 11:02:46.509957+0800 001-內(nèi)存對齊原則[22800:939799] LGStruct1----16
2020-09-30 11:02:46.511196+0800 001-內(nèi)存對齊原則[22800:939799] LGStruct2----24
2020-09-30 11:02:46.512537+0800 001-內(nèi)存對齊原則[22800:939799] LGStruct3----32

LGStruct3內(nèi)存大小存儲情況的詳細(xì)過程

變量a: 占8個字節(jié)炕舵，從0開始，min(0奸攻，8)部翘，即0 ~ 7存儲a
變量b: 占4個字節(jié)，從8開始，min(8假哎，4)，即8 ~ 11存儲b
變量c: 占2個字節(jié)秆剪，從12開始仅讽，min(12，2)苫费，即12~ 13 存儲b
變量d: 占1個字節(jié)牍汹，從14開始嫁蛇，min(14闸拿，1)书幕，即14存儲d
變量Str: 結(jié)構(gòu)體變量Str苟呐，根據(jù)內(nèi)存對齊原則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲笆呆，LGStruct1中最大的變量是long 8字節(jié)榕堰，所以Str從16位置開始存儲踱讨，而Str的為15字節(jié)味混，即LGStruct1存儲16-31位置

因此LGStruct3的內(nèi)存大小是32字節(jié)夕土，而LGStruct1中最大變量為Str馆衔，其最大成員內(nèi)存字節(jié)數(shù)為8，所以LGStruct3內(nèi)存必須是8的倍數(shù)未蝌，32是8的倍數(shù)，最終sizeof(LGStruct3)的大小是32
其內(nèi)存存儲情況如下圖所示

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存存儲情況圖

內(nèi)存優(yōu)化(屬性重排)

從上述的示例中绊袋，我們可以得出一個結(jié)論即結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小與結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大小的順序有關(guān)

若結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員是由內(nèi)存從小到大的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對齊原則來計(jì)算內(nèi)存大小蹋笼，需要增加較多的內(nèi)存占位符胶滋，這樣做浪費(fèi)內(nèi)存。
若結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員是由內(nèi)存從大到小的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則來計(jì)算結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小作煌，我們只需要補(bǔ)齊少量內(nèi)存占位符即可滿足內(nèi)存對齊規(guī)則赚瘦。

第二種方式就是蘋果采用的將類中的屬性進(jìn)行重排起意，來達(dá)到優(yōu)化內(nèi)存的目的亲善。以下面這個示例來進(jìn)行說明蘋果中屬性重排，即內(nèi)存優(yōu)化:

自定義LGPerson類托享，并定義幾個屬性

//LGPerson.h
@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

//LGPerson.m
@implementation LGPerson

@end

在main中創(chuàng)建LGPerson的實(shí)例對象肤视，并對其屬性賦值

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        person.name      = @"Cooci";
        person.nickName  = @"KC";
        person.age       = 18;
        person.c1        = 'a';
        person.c2        = 'b';

        NSLog(@"%@",person);
    }
    return 0;
}

斷點(diǎn)調(diào)試person，根據(jù)LGPerson的對象地址吗跋，查找出屬性的值
- 通過地址找出 name &nickName
  
  image.png
通過0x0000001200006261地址找出age等數(shù)據(jù)時侧戴，發(fā)現(xiàn)無法找出age等數(shù)據(jù)值，這是因?yàn)?code>蘋果中針對age跌宛、c1酗宋、c2屬性的內(nèi)存進(jìn)行了重排，將他們存儲在同一塊內(nèi)存中,
- age通過0x00000012讀取
- c1通過0x61讀冉小（a的ASCII碼是97）
- c2通過0x62讀韧擅ā（b的ASCII碼是98）
  
  image.png
特殊的double和float
我們嘗試把LGPerson中的height屬性類型修改為double,并賦值

@property (nonatomic, assign) double height;
//賦值身高
person.height    = 178;

image.png

我們發(fā)現(xiàn)直接po打印0x4066400000000000，打印不出height的數(shù)值178哎迄。這是因?yàn)榫幾g器po打印默認(rèn)當(dāng)做int類型處理回右。p/x (double)178：我們以16進(jìn)制打印double類型值打印稀颁，發(fā)現(xiàn)完全相同。

綜上總結(jié)蘋果中的內(nèi)存對齊思想：
1. 大部分的內(nèi)存都是通過固定的內(nèi)存塊進(jìn)行讀取楣黍。
2. 盡管我們在內(nèi)存中采用了內(nèi)存對齊的方式，但并不是所有的內(nèi)存都可以進(jìn)行浪費(fèi)的棱烂，蘋果會自動對屬性進(jìn)行重排租漂，以此來優(yōu)化內(nèi)存.

8字節(jié)對齊與16字節(jié)對齊

前面我們提及了8字節(jié)對齊和16字節(jié)對齊泳姐，這時我們就有疑問沮焕，什么時候在哪里采用哪種字節(jié)對齊贞瞒，接下來我們繼續(xù)源碼探索

我們在objc4源碼中搜索class_getInstanceSize倦卖，可以在runtime.h找到:

/** 
 * 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);

在objc-class.mm可以找到:

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

進(jìn)入alignedInstanceSize:

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

進(jìn)入word_align：

#ifdef __LP64__ // 64位操作系統(tǒng)
#   define WORD_SHIFT 3UL
#   define WORD_MASK 7UL  // 7字節(jié)遮罩
#   define WORD_BITS 64 
#else 
#   define WORD_SHIFT 2UL
#   define WORD_MASK 3UL
#   define WORD_BITS 32
#endif

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

可以看到:

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定64位操作系統(tǒng)兔毒，統(tǒng)一使用8字節(jié)對齊信粮。對于一個對象來說姨俩，其真正的對齊方式是8字節(jié)對齊匆赃。
因外部處理對象太多鸟赫，系統(tǒng)為了防止一些容錯蒜胖，會采用align16為內(nèi)存塊來存取，主要是因?yàn)椴捎?字節(jié)對齊時抛蚤，兩個對象的內(nèi)存會緊挨著台谢，顯得比較緊湊，而16字節(jié)比較寬松岁经，避免越界訪問朋沮，提高效率，利于蘋果以后的擴(kuò)展缀壤。

16字節(jié)內(nèi)存對齊算法

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

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

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;
}

算法原理：k + 15 >> 4 << 4 樊拓，其中右移4 + 左移4相當(dāng)于將后4位抹零，跟 k/16 * 16一樣塘慕，是16字節(jié)對齊算法筋夏，小于16就成0了
以 k = 2為例，如下圖所示

malloc中16字節(jié)對齊算法原理

為什么需要16字節(jié)對齊

原因有一下幾點(diǎn):

通常內(nèi)存是由一個個字節(jié)組成的苍糠，cpu在存取數(shù)據(jù)時叁丧，并不是以字節(jié)為單位存儲，而是以塊為單位存取岳瞭，塊的大小為內(nèi)存存取力度拥娄。頻繁存取字節(jié)未對齊的數(shù)據(jù)，會極大降低cpu的性能瞳筏，所以可以通過減少存取次數(shù)來降低cpu的開銷稚瘾，同時使訪問更安全，不會產(chǎn)生訪問混亂的情況姚炕。
16字節(jié)對齊摊欠，是由于在一個對象中丢烘，第一個屬性isa占8字節(jié)，當(dāng)然一個對象肯定還有其他屬性些椒，當(dāng)無屬性時播瞳，會預(yù)留8字節(jié)，即16字節(jié)對齊免糕，如果不預(yù)留赢乓，相當(dāng)于這個對象的isa和其他對象的isa緊挨著，容易造成訪問混亂石窑。

總結(jié)

綜合前文提及的獲取內(nèi)存大小的方式

class_getInstanceSize：是采用8字節(jié)對齊牌芋，參照的對象的屬性內(nèi)存大小
malloc_size：采用16字節(jié)對齊，參照的整個對象的內(nèi)存大小松逊，對象實(shí)際分配的內(nèi)存大小必須是16的整數(shù)倍