獲取內(nèi)存大小的三種方式

• sizeof
• class_getInstanceSize
• malloc_size

sizeof

sizeof是一個操作符，不是函數(shù)稼跳，一把用于計算內(nèi)存大小鸟雏。傳入的主要對象是數(shù)據(jù)類型(基本數(shù)據(jù)類型物臂、對象瘟滨、指針)锯蛀，這個在編譯器的編譯階段就會確定大小而不是在運行時。sizeof最終得到的結(jié)果是該數(shù)據(jù)類型占用空間的大小

class_getInstanceSize

這個方法在OC底層原理02 - alloc & init & new 源碼分析分析時就已經(jīng)分析了馅精，是runtime提供的api严嗜，用于獲取類的實例對象所占用的內(nèi)存大小，并返回具體的字節(jié)數(shù)洲敢，其本質(zhì)就是獲取實例對象中成員變量的內(nèi)存大小

malloc_size

這個函數(shù)是獲取系統(tǒng)實際分配的內(nèi)存大小

我們通過運行以下代碼驗證上述所說

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"objc對象類型占用的內(nèi)存大新：%lu", sizeof(objc));
        NSLog(@"objc對象實際占用的內(nèi)存大小：%lu", class_getInstanceSize([objc class]));
        NSLog(@"objc對象實際分配的內(nèi)存大新偌病：%lu", malloc_size((__bridge const void*)(objc)));
    }
    return 0;
}

image.png

總結(jié)

sizeof

• 計算類型占用的內(nèi)存大小称近，其中可以放基本數(shù)據(jù)類型、對象哮塞、指針
• 對于類似于int這樣的基本數(shù)據(jù)而言刨秆，sizeof獲取的就是數(shù)據(jù)類型占用的內(nèi)存大小，不同的數(shù)據(jù)類型所占用的內(nèi)存大小是不一樣的
• 而對于類似于NSObject定義的實例對象而言忆畅，其對象類型的本質(zhì)就是一個結(jié)構(gòu)體（即 struct objc_object）的指針衡未，所以sizeof(objc)打印的是對象objc的指針大小，我們知道一個指針的內(nèi)存大小是8家凯，所以sizeof(objc) 打印是 8
• 對于指針而言缓醋，sizeof打印的就是本身的內(nèi)存大小8

class_getInstanceSize

計算對象實際占用的內(nèi)存大小，這個需要依據(jù)類的屬性而變化绊诲，如果自定義類沒有自定義屬性送粱，僅僅只是繼承自NSObject，則類的實例對象實際占用的內(nèi)存大小是8

malloc_size

計算對象實際分配的內(nèi)存大小掂之，這個是由系統(tǒng)完成的抗俄，可以從上面的打印結(jié)果看出，實際分配的和實際占用的內(nèi)存大小并不相等世舰，這個問題可以通過OC底層原理02 - alloc & init & new 源碼分析中的16字節(jié)對齊算法來解釋這個問題

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊

首先我們定義兩個結(jié)構(gòu)體动雹，分別計算他們的內(nèi)存大小。

struct HLStruct1 {
    double a;
    char b;
    int c;
    short d;
}struct1;

struct HLStruct2 {
    double a;
    int b;
    char c;
    short d;
}struct2;

//計算 結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小
NSLog(@"%lu-%lu", sizeof(HLstruct1), sizeof(HLstruct2));

輸出結(jié)果如下

image.png

內(nèi)存對齊規(guī)則

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))茸塞。程序員可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n = 1, 2, 4, 8, 16來改變這一系數(shù)喷好，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”翔横。在iOS中，Xcode默認為#pragma pack(8)梗搅，即8字節(jié)對齊

內(nèi)存字節(jié)對齊原則

數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：struct 或者 union 的數(shù)據(jù)成員禾唁，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方效览，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荡短，比如數(shù)據(jù)丐枉、結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開始（例如int在32位機中是4字節(jié)，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)體成員掘托，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瘦锹，b里面有char、int闪盔、double等元素弯院，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，即sizeof的結(jié)果泪掀，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍听绳，不足的要補齊

分析

下表是各數(shù)據(jù)類型在C和OC中所占內(nèi)存大小

image.png

image.png

• 變量a：占8個字節(jié)异赫，從0開始椅挣，即0-7字節(jié)存儲變量a；
• 變量b：占1個字節(jié)塔拳，從8開始鼠证，即8字節(jié)儲存變量b
• 變量c：占4個字節(jié)，9不能整除4靠抑，故往后順移量九，直到12能整除4，所以從12開始颂碧，即12-15字節(jié)儲存變量c
• 變量d：占2個字節(jié)娩鹉，從16開始，即16-17字節(jié)儲存變量d
  因此HLStruct1的需要的內(nèi)存大小為18字節(jié)稚伍，而HLStruct1中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，HLStruct1實際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍戚宦，18向上取整到24个曙，所以sizeof(HLStruct1)的結(jié)果是 24
  HLStruct2:
• 變量a：占8個字節(jié)，從0開始受楼，即0-7字節(jié)存儲變量a垦搬；
• 變量b：占4個字節(jié)，從8開始艳汽，即8-11字節(jié)儲存變量b
• 變量c：占1個字節(jié)猴贰，從12開始，即12字節(jié)儲存變量c
• 變量d：占2個字節(jié)河狐，13不能整除2米绕，故往后順移瑟捣，直到14能整除2，所以從14開始栅干，即14-15字節(jié)儲存變量d
  因此HLStruct2的需要的內(nèi)存大小為16字節(jié)迈套，而HLStruct2中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，HLStruct2實際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍碱鳞，16剛好為8的倍數(shù)桑李，所以sizeof(HLStruct2)的結(jié)果是 16

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

上面的兩個結(jié)構(gòu)體只是簡單的定義數(shù)據(jù)成員，下面來一個比較復雜的窿给，結(jié)構(gòu)體中嵌套結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小計算情況
定義一個結(jié)構(gòu)體HLStruct3贵白，在HLStruct3中嵌套HLStruct2，如下所示

struct HLStruct3 {
    double a;
    int b;
    char c;
    short d;
    int e;
    struct HLStruct2 f;
}struct3;

輸出

NSLog(@"%lu-%lu", sizeof(struct3), sizeof(struct3.f));

輸出結(jié)果如下

image.png

• 變量a：占8個字節(jié)崩泡，從0開始禁荒，即0-7字節(jié)存儲變量a；
• 變量b：占4個字節(jié)允华，從8開始圈浇，即8-11字節(jié)儲存變量b
• 變量c：占1個字節(jié)，從12開始靴寂，即12字節(jié)儲存變量c
• 變量d：占2個字節(jié)磷蜀，13不能整除2，故往后順移百炬，直到14能整除2褐隆，所以從14開始，即14-15字節(jié)儲存變量d
• 變量e：占4個字節(jié)剖踊，從16開始庶弃，即16-19字節(jié)儲存變量e
• 變量f：占16個字節(jié)，f是一個結(jié)構(gòu)體德澈，根據(jù)內(nèi)存對齊原則二歇攻，結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大成員大小的整數(shù)倍開始存儲，而HLStruct2中最大的成員大小為8梆造，所以f要從8的整數(shù)倍開始缴守，當前是從20開始，所以不符合要求镇辉，需要往后移動到24屡穗，24是8的整數(shù)倍，符合內(nèi)存對齊原則忽肛，即24-39存儲變量f
  因此HLStruct3的需要的內(nèi)存大小為40字節(jié)村砂，而HLStruct3中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，HLStruct3實際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍屹逛，40剛好為8的倍數(shù)础废，所以sizeof(HLStruct3)的結(jié)果是 40
  
  image.png

二次驗證

在定義一個結(jié)構(gòu)體汛骂，如下所示

struct HLStruct4 {
    short a;
    double b;
}struct4;
struct HLStruct5 {
    char a;
    int b;
    struct HLStruct4 c;
}struct5;

HLStruct4內(nèi)存計算

• 變量a：占2個字節(jié)，從0開始色迂，即0-2字節(jié)存儲變量a香缺；
• 變量b：占8個字節(jié)，3不能整除8歇僧，故往后順移图张，直到8能整除8，所以從8開始诈悍，即8-15字節(jié)存儲變量b祸轮；
  因此HLStruct4的需要的內(nèi)存大小為16字節(jié)，而HLStruct4中最大變量的字節(jié)數(shù)為8侥钳，HLStruct4實際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍适袜，16剛好為8的倍數(shù)，所以sizeof(HLStruct4)的結(jié)果是 16
  HLStruct5內(nèi)存計算
• 變量a：占1個字節(jié)舷夺，從0開始苦酱，即0字節(jié)存儲變量a；
• 變量b：占2個字節(jié)给猾，1不能整除2疫萤，故往后順移，直到2能整除2敢伸，所以從2開始扯饶，即2-3字節(jié)存儲變量b；
• 變量c：占16個字節(jié)池颈，HLStruct4中最大的成員大小為8尾序，所以c要從8的整數(shù)倍開始多矮，當前是從4開始潜必，所以不符合要求，需要往后移動到8嗡害，8是8的整數(shù)倍琢歇，符合內(nèi)存對齊原則脯爪，即8-23存儲變量c
  因此HLStruct5的需要的內(nèi)存大小為24字節(jié)，而HLStruct4中最大變量的字節(jié)數(shù)為8矿微，HLStruct5實際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍，24剛好為8的倍數(shù)尚揣，所以sizeof(HLStruct5)的結(jié)果是 24
  下圖為輸出及打印
  image.png

內(nèi)存優(yōu)化（屬性重排）

根據(jù)內(nèi)存對齊原則涌矢，HLStruct1補齊了9個字節(jié)，而HLStruct2只補齊1個字節(jié)即可滿足該規(guī)則快骗，因此得出一個結(jié)論結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小與結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大小的順序有關(guān)娜庇。

創(chuàng)建一個對象來探索

1. 首先定義一個自定義類HLPerson類塔次，并添加幾個屬性

@interface HLPerson : 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

2. 在main中創(chuàng)建HLPerson的實例對象，并對其屬性賦值

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        HLPerson *person = [HLPerson alloc];
        person.name      = @"HL";
        person.nickName  = @"Lay";
        person.age       = 17;
        person.height    = 180;
        person.c1        = 'a';
        person.c2        = 'b';

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

3. 斷點調(diào)試person

• x person：x是memory read的簡寫名秀，讀取內(nèi)存信息
  tips：iOS是小端模式励负，所以內(nèi)存的讀取要反著讀，即cd 83 00 00 01 80 1d 00 應(yīng)該讀取為 0x001d8001000083cd
  
  image.png
• x/8gx person：以16進制打印8行內(nèi)存信息匕得，并分別打印其指向继榆，此方法讀取地址更為便捷
  
  image.png
  
  這里雖然打印了8行內(nèi)存信息，但實際上person對象變量并沒有使用這么多內(nèi)存汁掠，可以通過class_getInstanceSize方法獲取實際上該對象只占用了40字節(jié)的內(nèi)存略吨，也就是上圖中前五段內(nèi)存，所以后三段全都為0x00000000考阱，但是有幾個屬性值卻并沒有找到翠忠。
  分析
  沒有找到age、c1及c2對應(yīng)的值乞榨，是不是蘋果做了什么處理避免內(nèi)存過度消耗秽之，我們用沒有正常輸出信息的內(nèi)存嘗試解析下
  image.png
  
  結(jié)論
  name、nickname吃既、height都是各自占用8字節(jié)考榨。可以直接打印出來态秧；而age是Int占用4字節(jié)董虱，c1和c2是char，各自占用1字節(jié)申鱼。我們推測系統(tǒng)可能進行屬性重排愤诱，將他們存放在了一個塊區(qū)。
  下圖是HLPerson的內(nèi)存分布情況
  
  image.png
  
  特殊的double和float
  把height屬性類型修改為double

//@property (nonatomic, assign) long height;
@property (nonatomic, assign) double height;

重新運行

image.png

• p/x (double)180：將180轉(zhuǎn)成double類型然后以16進制進行打印匣砖，發(fā)現(xiàn)地址完全一樣科吭。
  
  image.png
  height改成float類型也可以用p/x (float)180驗證
  封裝2個驗證函數(shù)

// float轉(zhuǎn)換為16進制
void hl_float2HEX(float f) {
    union uuf { float f; char s[4]; } uf;
    uf.f = f;
    printf("0x");
    for (int i = 3; i >= 0; i--) {
        printf("%02x", 0xff & uf.s[i]);
    }
    printf("\n");
}

// double轉(zhuǎn)換為16進制
void hl_double2HEX(double d) {
    union uud { double d; char s[8]; } ud;
    ud.d = d;
    printf("0x");
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        printf("%02x", 0xff & ud.s[i]);
    }
    printf("\n");
}

打印驗證

image.png

字節(jié)對齊到底采用多少字節(jié)對齊？

在objc4源碼中搜索class_getInstanceSize猴鲫，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);

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

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

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static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

// 其中 WORD_MASK 為
#   define WORD_MASK 7UL

通過源碼可以看出对人，對于一個對象來說，其真正的對齊方式是8字節(jié)對齊拂共，8字節(jié)對齊已經(jīng)足夠滿足對象的需求了
總結(jié)
class_getInstanceSize：是采用8字節(jié)對齊牺弄，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)存大小宜狐，對象實際分配的內(nèi)存大小必須是16的整數(shù)倍

內(nèi)存對齊算法

至此势告，我們已知的16字節(jié)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

align16

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

segregated_size_to_fit

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 + (16 - 1) >> 4 << 4 蛇捌，其中右移4+左移4相當于將后4位抹零，跟k / 16 * 16一樣 咱台，小于16就成0了