我們先來看一個(gè)例子

例子

目錄

• 什么是內(nèi)存對齊
• 為什么要內(nèi)存對齊
• 內(nèi)存對齊的規(guī)則

什么是內(nèi)存對齊

計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實(shí)際情況是，在訪問特定類型變量的時(shí)候通常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就需要對這些數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排列，這就是對齊。

內(nèi)存對齊是編譯器的管轄范圍。表現(xiàn)為：編譯器為程序中的的每個(gè)"數(shù)據(jù)單元"安排在合適的位置上。

為什么要內(nèi)存對齊

為了解釋這個(gè)問題，我們要先了解一下處理器是如何讀取內(nèi)存的。

如果我們吧內(nèi)存看做是簡單的字節(jié)數(shù)組，比如在C語言中，char *就可以表示一塊內(nèi)存。那么或許我們會(huì)認(rèn)為，它的內(nèi)存讀取方式可以按照1byte順序讀取，如下圖

單字節(jié)存取

4字節(jié)存取

對齊和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置有關(guān)。如果一個(gè)變量的內(nèi)存地址剛好位于它本身長度的整數(shù)倍的位置，他就被稱作自然對齊。例如一個(gè)整型變量（占4個(gè)字節(jié)）的地址為0x16，那它就是自然對齊的。

現(xiàn)在假設(shè)一個(gè)整型變量（4字節(jié)）不是自然對齊的，它的起始地址落在0x02位置，處理器想要訪問它的值，按照4字節(jié)的塊進(jìn)行讀取，從0x00起讀，讀取4字節(jié)大小，到0x03，這樣的一次讀取之后我們并不能取到我們要訪問的整型數(shù)據(jù)，緊接著處理器會(huì)繼續(xù)再往下讀4字節(jié)，從0x04開始到0x07為止，到這里處理器才能讀取到了我們需要訪問的內(nèi)存數(shù)據(jù)，當(dāng)然這中間還存在剔除與合并的過程。

非對齊讀取數(shù)據(jù)

內(nèi)存對齊讀取數(shù)據(jù)

顯然，如果數(shù)據(jù)時(shí)內(nèi)存對齊的，對于本例僅需讀取1次便可以讀取到目標(biāo)數(shù)據(jù)?？梢?code>內(nèi)存對齊與否會(huì)影響到處理器的存取效率。同時(shí)：

各個(gè)硬件平臺(tái)對存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取，而不是內(nèi)存中任意地址都是可以存取的。

比如有些架構(gòu)的CPU在訪問一個(gè)沒有進(jìn)行對齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，那么在這種架構(gòu)下編程必須保證內(nèi)存對齊。其他平臺(tái)可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺(tái)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，會(huì)在存取效率上帶來損失。

也正是由于只能在特定的地址處存取數(shù)據(jù)，所有在訪問一些數(shù)據(jù)時(shí)，對于訪問未對齊的內(nèi)存，處理器可能需要進(jìn)行多次訪問；而對于對齊的內(nèi)存，只需要訪問一次就可以。這就是為什么要進(jìn)行內(nèi)存對齊的原因。

內(nèi)存對齊的原則

1. 數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，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，比如說是數(shù)組，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)）。
2. 結(jié)構(gòu)體作為成員：如果一個(gè)結(jié)構(gòu)體中有某些結(jié)構(gòu)體成員，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，b里有char，int，double等元素，那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍的地址開始存儲(chǔ)）。
3. 收尾工作：結(jié)構(gòu)體的總大小，也就是sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補(bǔ)齊。
   看文字規(guī)則有點(diǎn)不明所以，下面幾個(gè)例子可以更好的幫助理解。

結(jié)構(gòu)體1內(nèi)存大小

在上面的例子中我們創(chuàng)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，同時(shí)打印了它的內(nèi)存大小為24，那這個(gè)24是如何計(jì)算得來的呢？

struct1內(nèi)存分布

struct2內(nèi)存大小

在struct2中我們將struct1中a和b的位置互換了一下，結(jié)果卻得到struct2的內(nèi)存大小只有16個(gè)字節(jié)，此時(shí)我們再來看下struct2的內(nèi)存分布。

struct2內(nèi)存分布

結(jié)構(gòu)體嵌套內(nèi)存大小

在struct3中我們將SLStruct2類型的結(jié)構(gòu)體當(dāng)做一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果是需要40個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間。此時(shí)我們來看下struct3的內(nèi)存分布情況。

struct3內(nèi)存分布

以上幾個(gè)例子應(yīng)該可以幫助我們更好的理解內(nèi)存對齊的規(guī)則。

其實(shí)內(nèi)存對齊就是制定了一套規(guī)則以合理的利用內(nèi)存空間并提高內(nèi)存訪問效率。編譯器通過適當(dāng)增加padding，是每個(gè)成員的方位都在一個(gè)指令里完成，而不需要多次訪問再拼接。是一個(gè)以空間換時(shí)間的過程。

從以上的例子也可以看出結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小和數(shù)據(jù)成員的排列順序有關(guān)，最大的數(shù)據(jù)成員放在前面可以有效的節(jié)約內(nèi)存。但是在實(shí)際書寫代碼的時(shí)候不可能按照數(shù)據(jù)成員的占用大小來申明屬性，如果隨便寫的話可能會(huì)造成大量的內(nèi)存浪費(fèi)，那蘋果又是如何解決這個(gè)問題的呢？

SLPerson

person

總結(jié)
蘋果的內(nèi)存管理不僅僅有內(nèi)存對齊，還會(huì)通過屬性重排的方式幫助我們優(yōu)化內(nèi)存，減小內(nèi)存的開銷。

最后我們看下蘋果獲取內(nèi)存大小的三種方式：sizeof，class_getInstanceSize，malloc_size。

sizeof
sizeof傳入的主要對像是數(shù)據(jù)類型，最終得到的是該數(shù)據(jù)類型占用空間的大?。ㄈ?code>int，double，struct），如果傳入的是實(shí)例對象，其對象類型的本質(zhì)就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體（即struct objc_object）的指針，所以sizeof返回的是對象指針的大小，而一個(gè)對象指針的大小固定是8個(gè)字節(jié)。

class_getInstanceSize
class_getInstanceSize是runtime提供的api，用于獲取類的實(shí)例對象所占用的內(nèi)存大?。?字節(jié)對齊），并返回具體的字節(jié)數(shù)，其本質(zhì)就是獲取實(shí)例對象中成員變量的內(nèi)存大小。

malloc_size
malloc_size是獲取系統(tǒng)實(shí)際分配的內(nèi)存大?。?6字節(jié)對齊）。

例如，我們申明如下SLPerson類：

@interface SLPerson : NSObject

@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

在main函數(shù)中創(chuàng)建SLPerson的示例對象person，并通過三種方式獲取person的內(nèi)存大小

#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

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

#import "SLTeacher.h"

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        SLPerson *person = [[SLPerson alloc] init];
        NSLog(@"sizeof(person) = %lu", sizeof(person));
        NSLog(@"class_getInstanceSize(person) = %lu", class_getInstanceSize([person class]));
        NSLog(@"malloc_size(person) = %lu", malloc_size((__bridge const void *)(person)));
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

打印結(jié)果如下

2021-01-21 15:29:30.252973+0800 test[3449:221231] sizeof(person) = 8
2021-01-21 15:29:30.253448+0800 test[3449:221231] class_getInstanceSize(person) = 24
2021-01-21 15:29:30.253540+0800 test[3449:221231] malloc_size(person) = 32

由打印可看到
sizeof(person)獲取到的是一個(gè)指針的大小8字節(jié)，

class_getInstanceClass([person class])獲取到的是SLPerson類型的對象實(shí)際需要的內(nèi)存大小，即其屬性所需的內(nèi)存大小isa(8字節(jié))+name(8字節(jié))+age(4字節(jié))+8字節(jié)內(nèi)存對齊，共需24字節(jié)，

malloc_size(person)獲取到的是系統(tǒng)實(shí)際分配給person對象的內(nèi)存大小，iOS中系統(tǒng)的內(nèi)存對齊方式為16字節(jié)對齊，即系統(tǒng)每次訪問內(nèi)存的內(nèi)存存取粒度為16字節(jié)，故在24字節(jié)的基礎(chǔ)上又補(bǔ)了8字節(jié)的空位，共計(jì)32字節(jié)。

本文參考自：關(guān)于內(nèi)存對齊，看我