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iOS 底層原理文章匯總

在探討內(nèi)存對齊原理之前，首先介紹下iOS中獲取內(nèi)存大小的三種方式

獲取內(nèi)存大小的三種方式

獲取內(nèi)存大小的三種方式分別是：

sizeof
class_getInstanceSize
malloc_size

sizeof

1、sizeof是一個操作符，不是函數(shù)
2、我們一般用sizeof計算內(nèi)存大小時，傳入的主要對象是數(shù)據(jù)類型，這個在編譯器的編譯階段(即編譯時)就會確定大小而不是在運(yùn)行時確定。
3、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iOS-底層原理 02：alloc & init & new 源碼分析分析時就已經(jīng)分析了，是runtime提供的api，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)，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

可以通過下面代碼的輸出結(jié)果來驗證我們上面的說法

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "LGPerson.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?。?lu",sizeof(objc));
        NSLog(@"objc對象實際占用的內(nèi)存大?。?lu",class_getInstanceSize([objc class]));
        NSLog(@"objc對象實際分配的內(nèi)存大小：%lu",malloc_size((__bridge const void*)(objc)));
    }
    return 0;
}

以下是打印結(jié)果

三種獲取內(nèi)存大小的打印結(jié)果

總結(jié)

sizeof：計算類型占用的內(nèi)存大小，其中可以放 基本數(shù)據(jù)類型、對象、指針
- 對于類似于int這樣的基本數(shù)據(jù)而言，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，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，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，所以sizeof(objc) 打印是 8。注意：這里的8字節(jié)與isa指針一點關(guān)系都沒有?。。。?/p>
- 對于指針而言，sizeof打印的就是8，因為一個指針的內(nèi)存大小是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，如果自定義類沒有自定義屬性，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，可以簡單理解為8字節(jié)對齊
malloc_size：計算對象實際分配的內(nèi)存大小，這個是由系統(tǒng)完成的，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，這個問題可以通過iOS-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

接下來，我們首先定義兩個結(jié)構(gòu)體，分別計算他們的內(nèi)存大小，以此來引入今天的正題：內(nèi)存對齊原理

//1、定義兩個結(jié)構(gòu)體
struct Mystruct1{
    char a;     //1字節(jié)
    double b;   //8字節(jié)
    int c;      //4字節(jié)
    short d;    //2字節(jié)
}Mystruct1;

struct Mystruct2{
    double b;   //8字節(jié)
    int c;      //4字節(jié)
    short d;    //2字節(jié)
    char a;     //1字節(jié)
}Mystruct2;

//計算 結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(Mystruct1),sizeof(Mystruct2));

以下是輸出結(jié)果

image

從打印結(jié)果我們可以看出一個問題，兩個結(jié)構(gòu)體乍一看，沒什么區(qū)別，其中定義的變量和變量類型都是一致的，唯一的區(qū)別只是在于定義變量的順序不一致，那為什么他們做占用的內(nèi)存大小不相等呢？其實這就是iOS中的內(nèi)存字節(jié)對齊現(xiàn)象

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(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。在ios中，Xcode默認(rèn)為#pragma pack(8)，即8字節(jié)對齊

一般內(nèi)存對齊的原則主要有3點，可以回看iOS-底層原理 02：alloc & init & new 源碼分析中的說明，

可以將內(nèi)存對齊原則可以理解為以下兩點：

【原則一】數(shù)據(jù)成員的對齊規(guī)則可以理解為min(m, n) 的公式, 其中 m表示當(dāng)前成員的開始位置, n表示當(dāng)前成員所需要的位數(shù)。如果滿足條件 m 整除 n （即 m % n == 0）, n 從 m 位置開始存儲, 反之繼續(xù)檢查 m+1 能否整除 n, 直到可以整除, 從而就確定了當(dāng)前成員的開始位置。
【原則二】數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：當(dāng)結(jié)構(gòu)體嵌套了結(jié)構(gòu)體時，作為數(shù)據(jù)成員的結(jié)構(gòu)體的自身長度作為外部結(jié)構(gòu)體的最大成員的內(nèi)存大小，比如結(jié)構(gòu)體a嵌套結(jié)構(gòu)體b，b中有char、int、double等，則b的自身長度為8
【原則三】最后結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小必須是結(jié)構(gòu)體中最大成員內(nèi)存大小的整數(shù)倍，不足的需要補(bǔ)齊。

驗證對齊規(guī)則

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

我們可以通過下圖圖來說明下為什么兩個結(jié)構(gòu)體MyStruct1 & MyStruct2的內(nèi)存大小打印不一致的情況，如圖所示

結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的存儲情況

結(jié)構(gòu)體MyStruct1 內(nèi)存大小計算

根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則計算MyStruct1的內(nèi)存大小，詳解過程如下：

變量a：占1個字節(jié)，從0開始，此時min（0，1），即 0 存儲 a
變量b：占8個字節(jié)，從1開始，此時min（1，8），1不能整除8，繼續(xù)往后移動，知道min（8，8），從8開始，即 8-15 存儲 b
變量c：占4個字節(jié)，從16開始，此時min（16，4），16可以整除4，即 16-19 存儲 c
變量d：占2個字節(jié)，從20開始，此時min(20, 2)，20可以整除2，即20-21 存儲 d

因此MyStruct1的需要的內(nèi)存大小為 15字節(jié)，而MyStruct1中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，所以 MyStruct1 實際的內(nèi)存大小必須是 8 的整數(shù)倍，18向上取整到24，主要是因為24是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(MyStruct1) 的結(jié)果是 24

結(jié)構(gòu)體MyStruct2 內(nèi)存大小計算

根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則計算MyStruct2的內(nèi)存大小，詳解過程如下：

變量b：占8個字節(jié)，從0開始，此時min（0，8），即 0-7 存儲 b
變量c：占4個字節(jié)，從8開始，此時min（8，4），8可以整除4，即 8-11 存儲 c
變量d：占2個字節(jié)，從12開始，此時min(12, 2)，12可以整除2，即12-13 存儲 d
變量a：占1個字節(jié)，從14開始，此時min（14，1），即 14 存儲 a

因此MyStruct2的需要的內(nèi)存大小為 15字節(jié)，而MyStruct1中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，所以 MyStruct2 實際的內(nèi)存大小必須是 8 的整數(shù)倍，15向上取整到16，主要是因為16是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(MyStruct2) 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(fù)雜的，結(jié)構(gòu)體中嵌套結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小計算情況

首先定義一個結(jié)構(gòu)體MyStruct3，在MyStruct3中嵌套MyStruct2，如下所示

//1、結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體
struct Mystruct3{
    double b;   //8字節(jié)
    int c;      //4字節(jié)
    short d;    //2字節(jié)
    char a;     //1字節(jié)
    struct Mystruct2 str; 
}Mystruct3;

//2、打印 Mystruct3 的內(nèi)存大小
NSLog(@"Mystruct3內(nèi)存大?。?lu", sizeof(Mystruct3));
NSLog(@"Mystruct3中結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大?。?lu", sizeof(Mystruct3.str));

打印的結(jié)果如下所示

image

分析Mystruct3的內(nèi)存計算
根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則，來一步一步分析Mystruct3內(nèi)存大小的計算過程
- 變量b：占8個字節(jié)，從0開始，此時min（0，8），即 0-7 存儲 b
- 變量c：占4個字節(jié)，從8開始，此時min（8，4），8可以整除4，即 8-11 存儲 c
- 變量d：占2個字節(jié)，從12開始，此時min(12, 2)，20可以整除2，即12-13 存儲 d
- 變量a：占1個字節(jié)，從14開始，此時min（14，1），即 14 存儲 a
- 結(jié)構(gòu)體成員str：str是一個結(jié)構(gòu)體，根據(jù)內(nèi)存對齊原則二，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MyStruct2中最大的成員大小為8，所以str要從8的整數(shù)倍開始，當(dāng)前是從15開始，所以不符合要求，需要往后移動到16，16是8的整數(shù)倍，符合內(nèi)存對齊原則，所以 16-31 存儲 str

因此MyStruct3的需要的內(nèi)存大小為 32字節(jié)，而MyStruct3中最大變量為str, 其最大成員內(nèi)存字節(jié)數(shù)為8，根據(jù)內(nèi)存對齊原則，所以 MyStruct3 實際的內(nèi)存大小必須是 8 的整數(shù)倍，32正好是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(MyStruct3) 的結(jié)果是 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

二次驗證

為了保險起見，我們再定義一個結(jié)構(gòu)體，來驗證我們結(jié)構(gòu)體嵌套的內(nèi)存大小計算說明

struct Mystruct4{
    int a;              //4字節(jié) min（0，4）--- （0，1，2，3）
    struct Mystruct5{   //從4開始，存儲開始位置必須是最大的整數(shù)倍（最大成員為8），min（4，8）不符合 4，5，6，7，8 -- min（8，8）滿足，從8開始存儲
        double b;       //8字節(jié) min(8,8)  --- (8,9,10,11,12,13,14,15)
        short c;         //1字節(jié),從16開始，min（16，1） -- （16，17）
    }Mystruct5;
}Mystruct4;

分析如下

變量a：占4字節(jié)，從0開始，min（0，4），即 0-3存儲a
結(jié)構(gòu)體Mystruct5：從4開始，根據(jù)內(nèi)存對齊原則二，即存儲開始位置必須是最大的整數(shù)倍（最大成員為8），min（4，8）不能整除，繼續(xù)往后移動，直到8， min（8，8）滿足，從8開始存儲結(jié)構(gòu)體Mystruct5的變量
- 變量b：占8字節(jié)，從8開始，min（8，8），可以整除，即 8-15存儲b
- 變量c：占2字節(jié)，從16開始，min（16，2），可以整除，即16-17存儲c

因此Mystruct4中需要的內(nèi)存大小是 18字節(jié)，根據(jù)內(nèi)存對其原則二，Mystruct4實際的內(nèi)存大小必須是Mystruct5中最大成員b的整數(shù)倍，即必須是8的整數(shù)倍，所以sizeof(Mystruct4) 的結(jié)果是 24

以下是運(yùn)行結(jié)果的打印，以此來印證24這個內(nèi)存大小

內(nèi)存優(yōu)化（屬性重排）

MyStruct1 通過內(nèi)存字節(jié)對齊原則，增加了9個字節(jié)，而MyStruct2通過內(nèi)存字節(jié)對齊原則，通過4+2+1的組合，只需要補(bǔ)齊一個字節(jié)即可滿足字節(jié)對齊規(guī)則，這里得出一個結(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)

如果是結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)成員是根據(jù)內(nèi)存從小到大的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則來計算結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小，需要增加有較大的內(nèi)存padding即內(nèi)存占位符，才能滿足內(nèi)存對齊規(guī)則，比較浪費(fèi)內(nèi)存
如果是結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)成員是根據(jù)內(nèi)存從大到小的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則來計算結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小，我們只需要補(bǔ)齊少量內(nèi)存padding即可滿足堆存對齊規(guī)則，這種方式就是蘋果中采用的，利用空間換時間，將類中的屬性進(jìn)行重排，來達(dá)到優(yōu)化內(nèi)存的目的

以下面這個例子來進(jìn)行說明蘋果中屬性重排，即內(nèi)存優(yōu)化

定義一個自定義CJLPerson類，并定義幾個屬性，

@interface CJLPerson : 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

@implementation CJLPerson

@end

在main中創(chuàng)建CJLPerson的實例對象，并對其中的幾個屬性賦值

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

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

斷點調(diào)試person，根據(jù)CJLPerson的對象地址，查找出屬性的值
- 通過地址找出 name & nickName
  
  image
- 當(dāng)我們向通過0x0000001200006261地址找出age等數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)是亂碼，這里無法找出值的原因是蘋果中針對age、c1、c2屬性的內(nèi)存進(jìn)行了重排，因為age類型占4個字節(jié)，c1和c2類型char分別占1個字節(jié)，通過4+1+1的方式，按照8字節(jié)對齊，不足補(bǔ)齊的方式存儲在同一塊內(nèi)存中，
  - age的讀取通過0x00000012
  - c1的讀取通過0x61（a的ASCII碼是97）
  - c2的讀取通過0x62（b的ASCII碼是98）
    
    image

下圖是CJLPerson的內(nèi)存分布情況

CJLPerson內(nèi)存存儲情況

注意：
1、char類型的數(shù)據(jù)讀取出來是以ASCII碼的形式顯示
2、圖片中地址為0x0000000000000000,表示person中還有屬性未賦值

總結(jié)

所以，這里可以總結(jié)下蘋果中的內(nèi)存對齊思想：

大部分的內(nèi)存都是通過固定的內(nèi)存塊進(jìn)行讀取，
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，蘋果會自動對屬性進(jìn)行重排，以此來優(yōu)化內(nèi)存

字節(jié)對齊到底采用多少字節(jié)對齊？

到目前為止，我們在前文既提到了8字節(jié)對齊，也提及了16字節(jié)對齊，那我們到底采用哪種字節(jié)對齊呢？

我們可以通過objc4中class_getInstanceSize的源碼來進(jìn)行分析

/** 
 * 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);

??

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

??

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

??

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


//其中 WORD_MASK 為
#   define WORD_MASK 7UL

通過源碼可知：

對于一個對象來說，其真正的對齊方式 是 8字節(jié)對齊，8字節(jié)對齊已經(jīng)足夠滿足對象的需求了
apple系統(tǒng)為了防止一切的容錯，采用的是16字節(jié)對齊的內(nèi)存，主要是因為采用8字節(jié)對齊時，兩個對象的內(nèi)存會緊挨著，顯得比較緊湊，而16字節(jié)比較寬松，利于蘋果以后的擴(kuò)展。

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，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，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

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

align16： 16字節(jié)對齊算法

這個算法的思想已經(jīng)在iOS-底層原理 02：alloc & init & new 源碼分析中有所提及

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

segregated_size_to_fit： 16字節(jié)對齊算法

#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 ，其中 右移4 + 左移4相當(dāng)于將后4位抹零，跟 k/16 * 16一樣，是16字節(jié)對齊算法，小于16就成0了

以 k = 2為例，如下圖所示

libmalloc中16字節(jié)對齊算法原理

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iOS-底層原理 05：內(nèi)存對齊原理

iOS-底層原理 05：內(nèi)存對齊原理

獲取內(nèi)存大小的三種方式

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊

內(nèi)存對齊規(guī)則

驗證對齊規(guī)則

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

內(nèi)存優(yōu)化（屬性重排）

總結(jié)

字節(jié)對齊到底采用多少字節(jié)對齊？

內(nèi)存對齊算法

align16： 16字節(jié)對齊算法

segregated_size_to_fit： 16字節(jié)對齊算法

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iOS-底層原理 05：內(nèi)存對齊原理

獲取內(nèi)存大小的三種方式

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊

內(nèi)存對齊規(guī)則

驗證對齊規(guī)則

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

內(nèi)存優(yōu)化（屬性重排）

總結(jié)

字節(jié)對齊到底采用多少字節(jié)對齊？

內(nèi)存對齊算法

align16： 16字節(jié)對齊算法

segregated_size_to_fit： 16字節(jié)對齊算法

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