結(jié)構體內(nèi)存對齊

我們首先定義兩個結(jié)構體，分別計算他們的內(nèi)存大小，并討論內(nèi)存對齊原理

struct LGStruct1 {
    double a;   // 0-7)
    char b;     // 1 [8 1] (8)
    int c;      // 4 [9 4] 9 10 11 (12 13 14 15)
    short d;    // 2 [16 2] (16 17)
}struct1;

// 內(nèi)部需要的大小為: 15
// 最大屬性 : 8
// 結(jié)構體整數(shù)倍: 24


// 15 -> 16

struct LGStruct2 {
    double a;   //8 (0-7)
    int b;      //4 (8 9 10 11)
    char c;     //1 (12)
    short d;    //2 13 (14 15) - 16
}struct2;
// 15 -> 16

//打印兩個結(jié)構體內(nèi)存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(struct1),sizeof(struct2));

打印結(jié)果

從兩個結(jié)構體來看兩者沒啥大的區(qū)別，只是定義的屬性順序有些不一樣，但結(jié)果相差很大，這是為什么呢？是否內(nèi)存大小的計算存在一定的規(guī)則呢？下面就來討論一下這兩個結(jié)構體內(nèi)存大小的不同的原因：內(nèi)存對齊的規(guī)則

內(nèi)存對齊的規(guī)則

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預編譯命令#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默認為#pragma pack(8)，即8字節(jié)對齊。

• 數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構體（struct）（或聯(lián)合（union））的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員存儲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）。
• 結(jié)構體作為成員：如果一個結(jié)構里有某些結(jié)構體成員，則結(jié)構體成員要從其內(nèi)部最大元素的大小的整數(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應該從8的整數(shù)倍開始存儲）。

• 首尾工作：結(jié)構體的總體大小，也就是sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補齊。
  數(shù)據(jù)類型對應的字節(jié)數(shù)表格

  我們通過上面的代碼來計算一下stuct1和struct2的大小：

struct LGStruct1 {
    double a;   // 0-7)
    char b;     // 1 [8 1] (8)
    int c;      // 4 [9 4] 9 10 11 (12 13 14 15)
    short d;    // 2 [16 2] (16 17)
}struct1;

解釋：從數(shù)據(jù)類型對用的自己數(shù)表格可以知道double占8字節(jié)、char占1字節(jié)、int占4字節(jié)、short占2字節(jié)，那么通過數(shù)據(jù)成員對齊原則，我們知道
a應該從0開始占8字節(jié)，那么a的內(nèi)存范圍[0-7];
b是char類型占1字節(jié)，那么b的內(nèi)存范圍[8];
c是int類型占4字節(jié)，那么c的內(nèi)存范圍本應該從9開始計算，但是9不是4的整數(shù)倍，那么我們往后累加+1，直到12是4的整數(shù)倍開始算占4位[12-15];
d是short類型占2字節(jié)，那么d的內(nèi)存從16開始，16是2的整數(shù)倍，那么d的內(nèi)存范圍[16-17];
上面提到過內(nèi)存對齊的三原則，按照結(jié)構體的總體大小，也就是sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補齊，17不是8的整數(shù)倍，不足要補齊，那么LGStruct1補齊后的內(nèi)存大小為24。LGStruct2同理可得內(nèi)存大小為16。

結(jié)構體嵌套結(jié)構體

首先我們定義一個結(jié)構體嵌套結(jié)構體例子

struct LGStruct3 {
    double a;   // 0-7)
    char b;     // 1 [8 1] (8)
    int c;      // 4 [9 4] 9 10 11 (12 13 14 15)
    short d;    // 2 [16 2] (16 17)
    struct Mystruct{
        double e;       //8字節(jié)
        short f;         //1字節(jié)
    }Mystruct;
}struct3;

我們按照如果一個結(jié)構里有某些結(jié)構體成員，則結(jié)構體成員要從其內(nèi)部最大元素的大小的整數(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應該從8的整數(shù)倍開始存儲）原則來計算一下LGStruct3的內(nèi)存大小，從上面的代碼我們已經(jīng)知道了LGStruct3內(nèi)存分配完d時為[16-17]，按照規(guī)則，Mystruct 應該從結(jié)構體內(nèi)部的占位最大的字節(jié)整數(shù)倍開始算起，Mystruct 中的e為double占8字節(jié)，所以Mystruct 應該從18開始并且8的整數(shù)倍開始計算e的內(nèi)存分配情況為[24-31]，f占2字節(jié)[32-33]，所以LGStruct3 實際占用的內(nèi)存大小為33，但是總大小要為其內(nèi)部最大元素的大小整數(shù)倍即>33&&是8的整數(shù)倍40`。

內(nèi)存優(yōu)化

LGStruct1 通過內(nèi)存字節(jié)對齊原則，增加了9個字節(jié)，而LGStruct2通過內(nèi)存字節(jié)對齊原則，通過4+2+1的組合，只需要補齊一個字節(jié)即可滿足字節(jié)對齊規(guī)則，這里得出一個結(jié)論結(jié)構體內(nèi)存大小與結(jié)構體成員內(nèi)存大小的順序有關。

如果是結(jié)構體中數(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，比較浪費內(nèi)存。

如果是結(jié)構體中數(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)構體內(nèi)存大小，我們只需要補齊少量內(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，將類中的屬性進行重排，來達到優(yōu)化內(nèi)存的目的。
下面案例具體說明以上結(jié)論：
自定義一個類，并為這個類添加一些屬性，我們通過斷點調(diào)試，來查看屬性的內(nèi)存地址分配情況

@interface LGPerson : 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



int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        // 內(nèi)存對齊

        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        person.name      = @"Cooci";
       person.nickName  = @"KC";
       person.age       = 18;
       person.c1        = 'a';
       person.c2        = 'b';


        NSLog(@"%@",person);
        
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

lldb調(diào)試結(jié)果

• 通過地址找出 name & nickName，控制臺有打印結(jié)果；
• 通過地址查找person.age、person.c1、person.c2卻顯示的是亂碼，這個是為什么呢？我們猜測這個是蘋果進行了內(nèi)存重排優(yōu)化，下面我們來驗證一下這個猜想；當我們向通過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，不足補齊的方式存儲在同一塊內(nèi)存中。我們按照這個思路來打印一下結(jié)果
• age的讀取通過0x00000012。
  0x00000012
• c1的讀取通過0x62
  0x62
• c2的讀取通過0x61
  0x61

總結(jié)：大部分的內(nèi)存還是按照順序來分配的，蘋果除了使用內(nèi)存對齊規(guī)則外，會針對屬性自行重排。