上篇文章中iOS-底層原理：alloc & init & new 源碼分析通過對alloc源碼的分析，可以得知alloc的主要目的就是開辟內(nèi)存，并且會通過size = cls->instanceSize(extraBytes)這一步來計(jì)算需要開辟的內(nèi)存大小。那么它在計(jì)算的過程中是怎么處理的呢，或者說要遵循什么樣的原則？下面我們來接著探索。

一切的一切我們還是從最初的代碼開始

alloc一個無屬性Person

此時我們只是創(chuàng)建了Person 類，其中什么信息都沒有。當(dāng)我們讀取內(nèi)存段，打印出的前8位是 Person，此時是我們的isa指針。

Person 增加 NSString 屬性

// Person 類中的屬性
@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;

@end

• 首先是無賦值情況
  
  無賦值
• 賦值一個屬性情況
  
  賦值一個屬性
• 賦值兩個屬性情況
  
  賦值兩個屬性

通過打印我們得知一個NSString類型的屬性是占8位字節(jié)大小，
光是這點(diǎn)我們看不出什么，接著繼續(xù)。。

Person 增加 int 屬性

@interface Person : NSObject

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

@end

• 先看下 無賦值情況
  
  int不賦值

這時候我們發(fā)現(xiàn)和之前只有NSString的時候不一樣了，第二個段內(nèi)存段會打印出 0x0000000000000000 ，接著繼續(xù)。。

• 把age給賦值
  
  age賦值

這時候我們發(fā)現(xiàn)本來第二塊的位置應(yīng)該是name,現(xiàn)在被age給占了？怎么不知道先來后到？為了想知道為什么接著往下走。。

再次在Preson屬性中增加個int類型的屬性，并賦值。

@interface Person : NSObject

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

@end

兩個int賦值

從打印上看此時兩個int類型age和height共用一個8字節(jié)的內(nèi)存。

接著往下看。。

Person 增加 char 屬性

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) int height;
@property (nonatomic) char s;
@property (nonatomic) char b;

@end

看下打印結(jié)果

char屬性賦值

看到這里我們腦子里有個大大的？，為什么會是這種情況，那么今天的重點(diǎn)來了。。

內(nèi)存對齊

計(jì)算機(jī)內(nèi)存都是以字節(jié)為單位劃分的,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,但是實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制,它們會要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)k(通常它為4或8的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊。

內(nèi)存對齊的原因

我們都知道內(nèi)存是以字節(jié)為單位，但是大部分處理器并不是按字節(jié)塊來存取內(nèi)存的.它一般會以2字節(jié),4字節(jié),8字節(jié),16字節(jié)甚至32字節(jié)為單位來存取內(nèi)存，我們將上述這些存取單位稱為內(nèi)存存取粒度。

• CPU的數(shù)據(jù)總線寬度決定了CPU對數(shù)據(jù)的吞吐量
• 64位CPU一次處理64 bit也就是8個字節(jié)的數(shù)據(jù),32同樣,每次處理4個字節(jié)的數(shù)據(jù)

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。

內(nèi)存對齊規(guī)則可理解為以下三點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)成員對?規(guī)則: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。
• 結(jié)構(gòu)體作為成員:如果一個結(jié)構(gòu)里有某些結(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.(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)倍開始存儲.)
• 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)部最大成員變量的整數(shù)倍.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

上面一大堆都是理論，理解著比較困難，難么下面我們就通過實(shí)踐來分析。

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊

定義兩個結(jié)構(gòu)體

//1、定義兩個結(jié)構(gòu)體
struct Struct1{
    char a;     //1字節(jié)
    double b;   //8字節(jié)
    int c;      //4字節(jié)
    short d;    //2字節(jié)
}Struct1;

struct Struct2{
    double b;   //8字節(jié)
    int c;      //4字節(jié)
    short d;    //2字節(jié)
    char a;     //1字節(jié)
}Struct2;

//計(jì)算 結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(Struct1),sizeof(Struct2));

以下是輸出結(jié)果:

24 - 16

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(shí)這就是iOS中的內(nèi)存字節(jié)對齊現(xiàn)象

結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的存儲情況

• 根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則計(jì)算Struct1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Struct1的需要的內(nèi)存大小為 18字節(jié)，而Struct1中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，所以 Struct1實(shí)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?yàn)?code>24是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(Struct1)的結(jié)果是 24

結(jié)構(gòu)體Struct2內(nèi)存大小計(jì)算

• 根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則計(jì)算Struct2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)，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

因此Struct2的需要的內(nèi)存大小為15字節(jié)，而Struct1中最大變量的字節(jié)數(shù)為8，所以 Struct2實(shí)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?yàn)?6是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(Struct2) 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(jì)算情況

//1、結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體
struct Struct3{
    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 Struct2 str; 
}Struct3;

//2、打印 Struct3 的內(nèi)存大小
NSLog(@"Struct3內(nèi)存大小：%lu", sizeof(Struct3));
NSLog(@"Struct3中結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大?。?lu", sizeof(Struct3.str));

打印 的結(jié)果如下:

Struct3內(nèi)存大?。?2
Struct3中結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大?。?6

• 分析Struct3的內(nèi)存計(jì)算
  根據(jù)內(nèi)存對齊規(guī)則，來一步一步分析Struct3內(nèi)存大小的計(jì)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，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Struct2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Struct3的需要的內(nèi)存大小為32字節(jié)，而Struct2中最大變量為str, 其內(nèi)存字節(jié)數(shù)為16，所以 Struct2 實(shí)際的內(nèi)存大小必須是 16 的整數(shù)倍，32正好是16的整數(shù)倍，所以 sizeof(Struct3) 的結(jié)果是 32

內(nèi)存優(yōu)化（屬性重排）

Struct1 通過內(nèi)存字節(jié)對齊原則，增加了9個字節(jié)，而Struct2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(jì)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(jì)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即可滿足內(nèi)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。

到此，我們在回過頭來看我們一開始演示的Person類,也能驗(yàn)證蘋果中的屬性重排，即內(nèi)存優(yōu)化。

Person

• 蘋果中針對age、s、d屬性的內(nèi)存進(jìn)行了重排，因?yàn)?code>age類型占4個字節(jié)，s和d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。

總結(jié)

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

多少字節(jié)對齊：
我們上篇文章中提及了16字節(jié)對齊，我們在這里提到了8字節(jié)對齊那我們到底采用哪種字節(jié)對齊呢？

• 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?yàn)椴捎?code>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。