一、結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

1.1 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊三大原則

數(shù)據(jù)成員對(duì)?規(guī)則
結(jié)構(gòu)體(struct)或聯(lián)合體(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)。)
min(當(dāng)前開始的位置m n) m=9 n=4 9 10 11 12
結(jié)構(gòu)體作為成員
如果一個(gè)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(chǔ)。
比如struct a中存有struct b，b中char，int ，double等元素。那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲(chǔ)。

struct structB {
    char c;
    int i;
    double d;
};

struct structA {
    char c;//1
    int i;//4
    struct structB b;//從8開始存儲(chǔ)
};

補(bǔ)齊
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)?。

1.2 基本數(shù)據(jù)類型內(nèi)存大小

C	OC	32位	64位
bool	BOOL(64位)	1	1
signed char	(__signed char)int8_t、BOOL(32位)	1	1
unsigned char	Boolean	1	1
short	int16_t	2	2
unsigned short	unichar	2	2
int 、int32_t	NSInteger(32位)、boolean_t(32位)	4	4
unsigned int	boolean_t(64位)、NSUInteger(32位)	4	4
long	NSInteger(64位)	4	8
unsigned long	NSUInteger(64位)	4	8
long long	int64_t	8	8
float	CGFloat(32位)	4	4
double	CGFloat(64位)	8	8

1.3 獲取內(nèi)存大小

1.3.1 sizeof(expression-or-type)

sizeof()是C/C++中的關(guān)鍵字，它是一個(gè)運(yùn)算符，不是函數(shù)。作用是取得一個(gè)對(duì)象（數(shù)據(jù)類型或者數(shù)據(jù)對(duì)象）的長(zhǎng)度(即占用內(nèi)存的大小，以byte為單位，返回size_t)?；緮?shù)據(jù)類型（int、double等）的大小與系統(tǒng)相關(guān)。結(jié)構(gòu)體涉及字節(jié)對(duì)齊。
示例：

struct Stu {
    char c;
    int i;
    double d;
};

void test() {
    //基本數(shù)據(jù)類型
    int age = 18;
    size_t sizeAge1 = sizeof(age);
    size_t sizeAge2 = sizeof age;
    size_t sizeAge3 = sizeof(int);
    NSLog(@"age size: %zu, %zu, %zu",sizeAge1,sizeAge2,sizeAge3);

    //結(jié)構(gòu)體
    struct Stu s;
    s.c = 'c';
    s.i = 18;
    s.d = 180.0;
    
    size_t sizeS1 = sizeof(s);
    size_t sizeS2 = sizeof s;
    size_t sizeS3 = sizeof(struct Stu);
    NSLog(@"s size: %zu, %zu, %zu",sizeS1,sizeS2,sizeS3);

    //指針
    NSObject *obj = [NSObject alloc];
    size_t sizeObj1 = sizeof(obj);
    size_t sizeObj2 = sizeof obj;
    size_t sizeObj3 = sizeof(NSObject *);
    NSLog(@"obj size: %zu, %zu, %zu",sizeObj1,sizeObj2,sizeObj3);
}

輸出：

age size: 4, 4, 4
s size: 16, 16, 16
obj size: 8, 8, 8

通過類型和實(shí)例都可以獲取內(nèi)存大小，這也說明開辟的內(nèi)存大小在類型確定后就已經(jīng)確定了。
sizeof是運(yùn)算符不是函數(shù)。3種語法形式都可以，需要注意的是通過類型獲取的方式必須在()中。

1.3.2 class_getInstanceSize

這個(gè)函數(shù)是runtime提供的獲取類的實(shí)例所占用的內(nèi)存大小。大小只與成員變量有關(guān)。獲取的是實(shí)際占用的空間（8字節(jié)對(duì)齊）。
源碼如下：

#ifdef __LP64__
#   define WORD_MASK 7UL
#else
#   define WORD_MASK 3UL
#endif

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) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

uint32_t unalignedInstanceSize() const {
    ASSERT(isRealized());
    return data()->ro()->instanceSize;
}

這里就和alloc中instanceSize沒有命中緩存的邏輯一致了。

1.3.3 malloc_size

malloc_size就是alloc中實(shí)際開辟的空間。

1.4 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊案例

1. 有如下結(jié)構(gòu)體Struct1和Struct2分別占用多大內(nèi)存？

struct Struct1 {
    double a; // [0,7]
    char b;     // [8]
    int c;        // 根據(jù)第一準(zhǔn)則要從4的倍數(shù)開始，所以[12,13,14,15]。跳過9，10，11
    short d;  //[16,17]
}struct1;
//根據(jù)第三準(zhǔn)則總大小要是8的倍數(shù)，那就要分配24字節(jié)。

struct Struct2 {
    double a; //[0,7]
    int b;        //[8,11]
    char c;     //[12]
    short d;   //根據(jù)準(zhǔn)則1跳過13，從14開始 [14,15]
}struct2;
//這里0~15大小本來就為16了，所以不需要補(bǔ)齊了。

驗(yàn)證：

NSLog(@"struct1 size :%zu\nstruct2 size:%zu",sizeof(struct1),sizeof(struct2));

輸出：

struct1 size :24
struct2 size:16

結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)類型順序不一致占用的內(nèi)存大小可能不一致。
大小計(jì)算從0開始，Struct2并沒有進(jìn)行第三原則補(bǔ)齊。

2. 增加一個(gè)Struct3中有結(jié)構(gòu)體嵌套，那么占用大小是多少？

struct Struct3 {
    double a;                  //[0,7]
    int b;                         //[8,11]
    char c;                     //[12]
    short d;                   //跳過13 [14,15]
    int e;                        // [16,19]
    struct Struct1 str; //根據(jù)準(zhǔn)則2，Struct1最大元素為`double`類型，所以從24開始。根據(jù)`Struct1`分配的時(shí)候24個(gè)字節(jié)，所以str為[24,47]
}struct3;
//所以Struct3占用內(nèi)存大小為48字節(jié)。

驗(yàn)證：

NSLog(@"struct3 size :%zu",sizeof(struct3));

struct3 size :48

在這里可能有個(gè)疑問準(zhǔn)則3是先作用在Struct1再作用在Struct3還是最后直接作用在Struct3？不防驗(yàn)證一下：

struct Struct4 {
    struct Struct1 str;
    char c;
}struct4;

Struct1本身占用18字節(jié)，補(bǔ)齊后占用24字節(jié)。如果Struct4最終占用32字節(jié)那么就是第一種情況，占用24字節(jié)則是第二種情況。

NSLog(@"struct4 size :%zu",sizeof(struct4));
struct4 size :32

這也就驗(yàn)證了猜想，結(jié)構(gòu)體嵌套從內(nèi)部開始補(bǔ)齊。這也符合常理。

3. 修改結(jié)構(gòu)體如下：

struct S1 {
    int a; // 4  [0,3]
    char b;// 1  [4]
    short c; // 2 [6,7]
}; // 0~7 8字節(jié)

struct S2 {
    double a; // 8 [0,7]
    char b;   // 1 [8]
    struct S1 s1; // 8  [12,19]  按s1自身中存的最大a的4字節(jié)的倍數(shù)對(duì)齊
    bool c; // 1 [20]
};
//0~20一共21個(gè)字節(jié)，按最大的8字節(jié)對(duì)齊。應(yīng)該24字節(jié)。

struct S2  s2;
NSLog(@"size :%zu",sizeof(s2));

這個(gè)時(shí)候s2大小為多少？

分析：

S1：
- int a占4個(gè)字節(jié)，從[0~3]。
- char b占1個(gè)字節(jié)，[4]。
- short c占2個(gè)字節(jié)，需要以2字節(jié)對(duì)齊，所以跳過5 [6~7]
- S1整體從0~7不需要補(bǔ)齊。占8字節(jié)。
S2：
- double a占8字節(jié)，[0~7]。
- char b占1字節(jié)，[8]。
- struct S1 s1占8字節(jié)。由于S1內(nèi)部最大元素為int a所以需要4倍對(duì)齊，所以[12~19]。
- bool c占1字節(jié)，[20]。
- S2整體從0~21一共21字節(jié)，需要按S2中最大元素double a補(bǔ)齊。所以應(yīng)該是24字節(jié)。

輸出：

size :24

1.5 對(duì)齊原理分析

為什么要根據(jù)數(shù)據(jù)類型跳過部分內(nèi)存呢？跳過的部分為什么不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)？

內(nèi)存對(duì)齊對(duì)比示意圖

對(duì)于不優(yōu)化聯(lián)系存儲(chǔ)的情況，CPU讀取8~15的內(nèi)存數(shù)據(jù)，需要先讀取1字節(jié)再讀取4字節(jié)，cpu對(duì)于要讀取的數(shù)據(jù)大小是有變化的。而優(yōu)化后cpu先讀取4字節(jié)（由于白色3字節(jié)空白所以可以直接讀取4字節(jié)）再讀取4字節(jié)在這段內(nèi)存中是沒有變化的。相比于第一種優(yōu)化后cpu的要進(jìn)行的操作少了，這就實(shí)現(xiàn)了通過空間換取時(shí)間。

二、系統(tǒng)內(nèi)存開辟

2.1 案例

HPObject定義如下：

@interface HPObject : NSObject

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

@end

調(diào)用：

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

HPObject *hpObj = [HPObject alloc];
hpObj.name = @"HotpotCat";
hpObj.age = 18;

NSLog(@"sizeof:%zu class_getInstanceSize:%zu malloc:%zu",sizeof(hpObj),class_getInstanceSize([HPObject class]),malloc_size((__bridge const void *)(hpObj)));

那么sizeof、class_getInstanceSize、malloc_size分別輸出多少呢？
驗(yàn)證：

sizeof:8 class_getInstanceSize:40 malloc:48

hpObj是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針sizeof返回8。
class_getInstanceSize由于存在isa和8字節(jié)對(duì)齊所以返回40。
malloc_size為什么返回48呢？

2.2 malloc_size分析

查看API發(fā)現(xiàn)malloc_size在usr/include中：

image.png

那么就需要源碼查看calloc的實(shí)現(xiàn)邏輯了。
calloc源碼在libmalloc中。
在源碼調(diào)試中實(shí)現(xiàn)如下：

void *p = calloc(1, 40);
NSLog(@"%zu",malloc_size(p));

calloc

void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
    return _malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size, MZ_POSIX);
}

calloc調(diào)用了_malloc_zone_calloc

_malloc_zone_calloc核心實(shí)現(xiàn)如下

MALLOC_NOINLINE
static void *
_malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size,
        malloc_zone_options_t mzo)
{
//……
    void *ptr;
//……
    ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);
//……
    return ptr;
}

內(nèi)部調(diào)用了zone->calloc。但是只有calloc的聲明沒有實(shí)現(xiàn)。這個(gè)時(shí)候有兩種方式去找到調(diào)用：

control + step into跟進(jìn)去看跳轉(zhuǎn)到了哪里。
直接po/ p zone->calloc查看（有賦值就有存儲(chǔ)值）

(lldb) po zone->calloc
(.dylib`default_zone_calloc at malloc.c:385)
(lldb) p zone->calloc
(void *(*)(_malloc_zone_t *, size_t, size_t)) $0 = 0x00000001002e1bb7 (.dylib`default_zone_calloc at malloc.c:385)

default_zone_calloc

static void *
default_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size)
{
    zone = runtime_default_zone();
    
    return zone->calloc(zone, num_items, size);
}

同理這里的zone->calloc調(diào)用到了nano_calloc

nano_calloc

static void *
nano_calloc(nanozone_t *nanozone, size_t num_items, size_t size)
{
    size_t total_bytes;

    //NULL邏輯不用看
    if (calloc_get_size(num_items, size, 0, &total_bytes)) {
        return NULL;
    }

    if (total_bytes <= NANO_MAX_SIZE) {
        //重點(diǎn)邏輯
        void *p = _nano_malloc_check_clear(nanozone, total_bytes, 1);
        if (p) {
            return p;
        } else {
            /* FALLTHROUGH to helper zone */
        }
    }
    //help邏輯大概出錯(cuò)的時(shí)候才需要
    malloc_zone_t *zone = (malloc_zone_t *)(nanozone->helper_zone);
    return zone->calloc(zone, 1, total_bytes);
}

得到核心邏輯在_nano_malloc_check_clear中。

_nano_malloc_check_clear

image.png

_nano_malloc_check_clear中計(jì)算大小的邏輯是在segregated_size_to_fit中完成的。

segregated_size_to_fit

#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) {
        //當(dāng)size為0的時(shí)候直接返回16
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior
    }
    //(40 + 16 - 1) >> 4 << 4  16字節(jié)對(duì)齊
    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;
}

16字節(jié)對(duì)齊，向上對(duì)齊。這也就是在系統(tǒng)的內(nèi)存堆區(qū)中對(duì)象的內(nèi)存是16字節(jié)對(duì)齊，成員變量是以8字節(jié)對(duì)齊（結(jié)構(gòu)體內(nèi)部）。對(duì)象與對(duì)象是16字節(jié)對(duì)齊。

calloc調(diào)用流程

2.3 為什么以16字節(jié)對(duì)齊？

為什么對(duì)象不以8字節(jié)對(duì)齊？而以16字節(jié)對(duì)齊？

對(duì)象對(duì)齊對(duì)比

假如一個(gè)對(duì)象內(nèi)部成員變量都是8字節(jié)大小。

以8字節(jié)對(duì)齊內(nèi)部沒有多余空間，更容易發(fā)生訪問錯(cuò)誤。
以16字節(jié)對(duì)齊內(nèi)部有多余空間，不容易發(fā)生訪問錯(cuò)誤。

對(duì)于64字節(jié)的空間：

16 32 48 64
8 16 24 32 40 48 56 64

明顯以16字節(jié)對(duì)齊訪問對(duì)象和成員變量碰到一起的概率小了。16字節(jié)對(duì)齊4次，8字節(jié)對(duì)齊8次。
任何對(duì)象都繼承自NSObject，但是很少有對(duì)象只有一個(gè)isa。所以最小的對(duì)象都應(yīng)該是16。
如果用32字節(jié)對(duì)齊呢？很明顯空間浪費(fèi)太大。

三、getInstanceSize與calloc

getInstanceSize的邏輯可以查看上一篇文章alloc流程。getInstanceSize與calloc中字節(jié)對(duì)齊關(guān)系如下：

getInstanceSize&calloc內(nèi)存對(duì)齊

instanceSize 正常情況下會(huì)走fastInstanceSize分支進(jìn)行16字節(jié)對(duì)齊。（setFastInstanceSize 在 _read_images的時(shí)候就完成了進(jìn)行了8字節(jié)對(duì)齊邏輯，但是沒有進(jìn)行最小16字節(jié)兜底）。
instanceSize alignedInstanceSize分支進(jìn)行了8字節(jié)對(duì)齊并且有最小16字節(jié)兜底。但是沒有進(jìn)行16字節(jié)對(duì)齊。
calloc中進(jìn)行了16字節(jié)對(duì)齊和最小16字節(jié)的修正。相當(dāng)于是對(duì)instanceSize的兩個(gè)分支的兜底。

成員變量字節(jié)對(duì)齊是8字節(jié)對(duì)齊，對(duì)象的內(nèi)存對(duì)齊是16字節(jié)對(duì)齊

總結(jié)

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊（三個(gè)原則）
- 3個(gè)原則
  - 數(shù)據(jù)成員對(duì)?規(guī)則：從成員大小或者成員的子成員大小整數(shù)倍開始。
  - 結(jié)構(gòu)體作為成員：從內(nèi)部成員最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲(chǔ)。
  - 補(bǔ)齊：必須是內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補(bǔ)?。
- 對(duì)齊原理：優(yōu)化CPU讀取速度，以空間換時(shí)間。
- 結(jié)構(gòu)體嵌套補(bǔ)齊從內(nèi)部開始補(bǔ)齊。
內(nèi)存大小獲取
- sizeof：是運(yùn)算符，不是函數(shù)。獲取對(duì)象的長(zhǎng)度（對(duì)象本身）。
- class_getInstanceSize：獲取類的實(shí)例所占用的內(nèi)存大小。大小只與成員變量有關(guān)。
- malloc_size：alloc中實(shí)際開辟的空間。
calloc 16字節(jié)對(duì)齊，最小返回16。
- 最終分配的內(nèi)存大小邏輯在segregated_size_to_fit中。以16字節(jié)對(duì)齊向上取整
- 為什么以16字節(jié)對(duì)齊？減少訪問錯(cuò)誤。

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iOS 內(nèi)存對(duì)齊

iOS 內(nèi)存對(duì)齊

一、結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

1.1 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊三大原則

1.2 基本數(shù)據(jù)類型內(nèi)存大小

1.3 獲取內(nèi)存大小

1.3.1 sizeof(expression-or-type)

1.3.2 class_getInstanceSize

1.3.3 malloc_size

1.4 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊案例

1.5 對(duì)齊原理分析

二、系統(tǒng)內(nèi)存開辟

2.1 案例

2.2 malloc_size分析

2.3 為什么以16字節(jié)對(duì)齊？

三、getInstanceSize與calloc

總結(jié)

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iOS 內(nèi)存對(duì)齊

一、結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

1.1 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊三大原則

1.2 基本數(shù)據(jù)類型內(nèi)存大小

1.3 獲取內(nèi)存大小

1.3.1 sizeof(expression-or-type)

1.3.2 class_getInstanceSize

1.3.3 malloc_size

1.4 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊案例

1.5 對(duì)齊原理分析

二、系統(tǒng)內(nèi)存開辟

2.1 案例

2.2 malloc_size分析

2.3 為什么以16字節(jié)對(duì)齊？

三、getInstanceSize與calloc

總結(jié)

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一、結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

二、系統(tǒng)內(nèi)存開辟

三、getInstanceSize與calloc