原文鏈接OC內(nèi)存大小的相關(guān)計(jì)算

更新于2020-07-13

在面試的過程中挺物，我們較大概率地會(huì)被問一個(gè)類所占的內(nèi)存大小。本篇博客從下面一段測試代碼開始分析整個(gè)內(nèi)存大小的計(jì)算過程飘弧。

測試代碼如下：

struct A {
} TestA;

struct AA {
    char a;
} TestAA;

struct AAA {
    char a;
    int b;
} TestAAA;

@interface Person: NSObject {
    int _a;
}

@end

@implementation Person
@end

@interface Student1: Person {
    int _b;
}

@end

@implementation Student1
@end

@interface Student2: Person {
    int _b;
    int _c;
}

@end

@implementation Student2
@end

// 測試
+ (void)test {
    NSLog(@"TestA sizeof: %lu",sizeof(TestA));
    NSLog(@"TestAA sizeof: %lu",sizeof(TestAA));
    NSLog(@"TestAAA sizeof: %lu",sizeof(TestAAA));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    NSLog(@"NSObject class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
    NSLog(@"NSObject malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void*)[NSObject new]));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    NSLog(@"Person class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([Person class]));
    NSLog(@"Person malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void*)[Person new]));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    NSLog(@"Student1 class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([Student1 class]));
    NSLog(@"Student1 malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void*)[Student1 new]));
    NSLog(@"Student1 sizeof = %zd", sizeof([Student1 class]));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    NSLog(@"Student2 class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([Student2 class]));
    NSLog(@"Student2 malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void*)[Student2 new]));
}

執(zhí)行結(jié)果（運(yùn)行在模擬器下）如下：

class_getInstanceSize&malloc_size

其中class_getInstanceSize指的是成員變量占用的內(nèi)存大小识藤，malloc_size指的是指針指向內(nèi)存空間的大小即實(shí)際分配的內(nèi)存大小。

關(guān)于內(nèi)存大小的計(jì)算主要依賴于運(yùn)行環(huán)境以及內(nèi)存對(duì)齊次伶。上面的都是運(yùn)行在arm64環(huán)境下痴昧，因此內(nèi)存對(duì)齊決定了它們的值為什么不同。

內(nèi)存對(duì)齊

內(nèi)存對(duì)齊說白了就是為了提高CPU尋址操作性能的一種規(guī)則冠王。我們可以通過#pragma pack(n)赶撰，n=1、2柱彻、4豪娜、8、16 來改變這一系數(shù)绒疗，其中的n就是要指定的“對(duì)齊系數(shù)”侵歇。內(nèi)存對(duì)齊的規(guī)則如下：

1. 數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在偏移為0的位置，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的位置為min（對(duì)齊系數(shù)吓蘑，自身長度）的整數(shù)倍，下個(gè)位置不為本數(shù)據(jù)成員的整數(shù)倍位置的自動(dòng)補(bǔ)齊。
2. 數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：該數(shù)據(jù)成員的內(nèi)最大長度的整數(shù)倍的位置開始存儲(chǔ)磨镶。
3. 整體對(duì)齊規(guī)則：數(shù)據(jù)成員按照1溃蔫，2步驟對(duì)齊之后，其自身也要對(duì)齊琳猫，對(duì)齊原則是min（對(duì)齊系數(shù)伟叛，數(shù)據(jù)成員最大長度）的整數(shù)倍。

內(nèi)存對(duì)齊計(jì)算

在64位編譯器環(huán)境下

代碼示例1：

// 對(duì)齊系數(shù)為8
#pragma pack(8)
struct AA {
    int a;   // 4字節(jié)
    char b;  // 1字節(jié)
    short c; // 2字節(jié)
    char d;  // 1字節(jié)
} Test1AA;
#pragma pack()

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool { 
        NSLog(@"Test1AA: %lu",sizeof(Test1AA));
    }
}

執(zhí)行結(jié)果：

Test1AA: 12

計(jì)算過程如下：

內(nèi)存對(duì)齊計(jì)算1

代碼示例2：

#pragma pack(8)
struct AA {
    char a[2];
    short b;
    struct BB {
        int a;
        double b;
        float c;
    } Test2BB;
} Test2AA;
#pragma pack()

int main(int argc, char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Test2AA: %lu",sizeof(Test2AA));
    }
}

執(zhí)行結(jié)果：

Test2AA: 32

計(jì)算過程如下：

內(nèi)存對(duì)齊計(jì)算2

OC類的內(nèi)存分析

相關(guān)函數(shù)

class_getInstanceSize

上面講到class_getInstanceSize表示成員變量所占的內(nèi)存大小脐嫂，那么對(duì)于Person類創(chuàng)建的實(shí)例來說统刮，它的成員變量大小應(yīng)該為12，為什么結(jié)果卻是16账千。

class_getInstanceSize的內(nèi)存也有它自己的內(nèi)存對(duì)齊侥蒙，通過objc源碼中的class_getInstanceSize的底層實(shí)現(xiàn)可以知道，class_getInstanceSize的實(shí)現(xiàn)依賴于底層函數(shù)word_align匀奏，該函數(shù)返回的結(jié)果是8的倍數(shù)鞭衩，另外從alloc函數(shù)開始進(jìn)行分析，到instanceSize函數(shù)中可以知道所有對(duì)象的內(nèi)存大小至少是16個(gè)字節(jié)娃善，所以對(duì)象申請(qǐng)的內(nèi)存空間是以8字節(jié)進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊且至少是16個(gè)字節(jié)论衍。

word_align實(shí)現(xiàn)如下：

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    // WORD_MASK在64下的定義為7UL，就是7聚磺，所以相當(dāng)于(x + 7) & ~7
    // 0000 0111    -> 7
    // x:12坯台，12就是Person類中成員變量的大小
    // 12+7 = 19
    // 0001 0011    -> 19
    // &
    // 1111 1000    -> ~7  ~運(yùn)算，二進(jìn)制中瘫寝，0變1蜒蕾，1變0. 
    // 0001 0000    -> 16
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK; 
}

malloc_size

通過malloc源碼中的segregated_size_to_fit函數(shù)可以知道系統(tǒng)開辟內(nèi)存空間是以16字節(jié)進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊。

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) {
        // NANO_REGIME_QUANTA_SIZE: (1 << SHIFT_NANO_QUANTUM) 即 16
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE;
    }
    
    // size: 8 
    // 0000 1000   -> 8
    // size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1 = 8 + 15 = 23
    // 0001 0111   -> 23
    // >> 4
    // 0000 0001
    // << 4
    // 0001 0000   -> 16
    k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM;
    slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;
    *pKey = k - 1;

    return slot_bytes;
}

Person矢沿、Student的內(nèi)存分析

回到一開始的測試代碼滥搭，根據(jù)上面內(nèi)存對(duì)齊的3個(gè)規(guī)則，Person捣鲸、Student1瑟匆、Student2的實(shí)際分配內(nèi)存（malloc_size）計(jì)算過程如下：

內(nèi)存對(duì)齊計(jì)算3

使用View Memory查看內(nèi)存

xcode_view_memory

從上面這張圖中我們可以知道，兩個(gè)16進(jìn)制代表1個(gè)字節(jié)栽惶，一行有32個(gè)字節(jié)愁溜。01 00 00 00、03 00 00 00外厂、05 00 00 00（小端）對(duì)應(yīng)的就是_a冕象、_b、_c汁蝶，另外前8個(gè)字節(jié)就是isa渐扮。整體內(nèi)存布局也與我們手動(dòng)計(jì)算實(shí)際內(nèi)存分配的結(jié)果一致论悴。

sizeof

sizeof用來返回類型的大小，其內(nèi)部也是進(jìn)行了內(nèi)存對(duì)齊的墓律。將測試代碼中的結(jié)構(gòu)體A膀估、AA、AAA通過內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則進(jìn)行分析耻讽，確實(shí)得到0察纯，1，8针肥。

這里我們使用結(jié)構(gòu)體AA進(jìn)行舉例：

• 根據(jù)規(guī)則1饼记，數(shù)據(jù)成員占1個(gè)字節(jié)，位于0號(hào)地址慰枕；
• 無結(jié)構(gòu)體成員變量具则，跳過規(guī)則2；
• 根據(jù)規(guī)則3捺僻，min(1, n) = 1乡洼，取1的整數(shù)倍，即結(jié)構(gòu)體分配的內(nèi)存大小為1個(gè)字節(jié)匕坯。

關(guān)于使用sizeof去獲取OC類內(nèi)存大小的時(shí)候束昵，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較有意思的東西。

測試代碼如下：

struct N_NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

struct N_Person_IMPL {
    struct N_NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _a;
};

struct N_Student_IMPL {
    struct N_Person_IMPL Person_IVARS;
    int _b;
    char _c;
};

@interface Person : NSObject {
    int _a;
}

@end

@implementation Person
@end

@interface Student : Person {
    int _b;
    char _c;
}

@end

@implementation Student
@end

// 測試
+ (void)test {
    NSObject *o = [NSObject new];
    struct N_NSObject_IMPL *so = (__bridge struct N_NSObject_IMPL *)o;
    NSLog(@"[NSObject new] sizeof = %lu", sizeof(o));
    NSLog(@"[NSObject class] sizeof = %lu", sizeof([NSObject class]));
    NSLog(@"struct N_NSObject_IMPL sizeof = %lu", sizeof(struct N_NSObject_IMPL));
    NSLog(@"*so sizeof = %lu", sizeof(so));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    Person *p = [Person new];
    struct N_Person_IMPL *sp = (__bridge struct N_Person_IMPL *)p;
    NSLog(@"[Person new] sizeof = %lu", sizeof(p));
    NSLog(@"[Person class] sizeof = %lu", sizeof([Person class]));
    NSLog(@"struct N_Person_IMPL sizeof = %lu", sizeof(struct N_Person_IMPL));
    NSLog(@"*sp sizeof = %lu", sizeof(sp));
    NSLog(@"--------------------------------------");
    Student *s = [Student new];
    struct N_Student_IMPL *ss = (__bridge struct N_Student_IMPL *)s;
    NSLog(@"[Student new] sizeof = %lu", sizeof(s));
    NSLog(@"[Student class] sizeof = %lu", sizeof([Student class]));
    NSLog(@"N_Student_IMPL sizeof = %lu", sizeof(struct N_Student_IMPL));
    NSLog(@"Student malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void*)s));
    NSLog(@"*ss sizeof = %lu", sizeof(ss));
}

執(zhí)行結(jié)果：

打印sizeof

N_NSObject_IMPL葛峻、N_Person_IMPL锹雏、N_Student_IMPL是將OC轉(zhuǎn)成C++代碼時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，使用sizeof獲取這些結(jié)構(gòu)體大小的時(shí)候术奖，值與class_getInstanceSize的值是一樣的礁遵。

使用sizeof獲取指針、實(shí)例采记、類其結(jié)果都是8佣耐，這又是為什么呢？個(gè)人認(rèn)為傳實(shí)例和類的時(shí)候可以看做傳的其實(shí)就是對(duì)應(yīng)的指針唧龄。指針的值是指針本身存儲(chǔ)的數(shù)值兼砖，這個(gè)值將被編譯器當(dāng)作一個(gè)地址，地址基本就是整形既棺，因此無論用什么類讽挟、對(duì)象作為sizeof的參數(shù)（這里就將sizeof看成是一個(gè)函數(shù)），其結(jié)果都一樣的丸冕。

最后再總結(jié)下class_getInstanceSize耽梅、malloc_size、sizeof的區(qū)別：

• class_getInstanceSize表示成員變量的所占的內(nèi)存大小
• malloc_size表示實(shí)際分配的內(nèi)存大小
• sizeof表示變量或者類型的大小胖烛，傳入結(jié)構(gòu)體眼姐，返回的則是結(jié)構(gòu)的大小诅迷，傳入指針（這里的指針表示C指針，OC的引用）即傳入值妥凳，則返回傳入值的類型大小