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什么是內(nèi)存對(duì)齊
關(guān)于什么是內(nèi)存對(duì)齊，我們通過下面一個(gè)例子來看一下
需引入#import <objc/runtime.h> #import <malloc/malloc.h>
//LMPerson 有兩個(gè)成員變量：name gendar
LMPerson *p = [LMPerson alloc];
p.name = @"LM";
p.gendar = @"男";
NSLog(@"person---sizeof-------------%lu",sizeof(p));
NSLog(@"person---instanceSize-------%lu",class_getInstanceSize([LMPerson class]));
NSLog(@"person---malloc_size--------%lu",malloc_size((__bridge const void *)p));
//LMStudent 有三個(gè)成員變量 name gendar isAdult
LMStudent *student = [LMStudent alloc];
student.name = @"小明";
student.gendar = @"男";
student.isAdult = YES;
NSLog(@"student---sizeof-------------%lu",sizeof(student));
NSLog(@"student---instanceSize-------%lu",class_getInstanceSize([LMStudent class]));
NSLog(@"student---malloc_size--------%lu",malloc_size((__bridge const void *)student));
打印信息：
person---sizeof-------------8
person---instanceSize-------24
person---malloc_size--------32
student---sizeof-------------8
student---instanceSize-------32
student---malloc_size--------32
為了更好的看懂打印的結(jié)果，我們先了解下sizeof,class_getInstanceSize,malloc_size
-
sizeof是C/C++中的關(guān)鍵字,它是一個(gè)運(yùn)算符,其作用是取得一個(gè)對(duì)象(數(shù)據(jù)類型或者數(shù)據(jù)對(duì)象)的長度(即占用內(nèi)存的大小,以byte為單位)。 -
class_getInstanceSize計(jì)算對(duì)象及成員變量占用的內(nèi)存空間 -
malloc_size系統(tǒng)實(shí)際分配的內(nèi)存大小
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型占用空間大?。?br>基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型占用空間大小
我們來分析下打印的結(jié)果：
- 類的本質(zhì)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，這里的
p和student就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，結(jié)構(gòu)體指針的大小是8字節(jié)，所以sizeof打印都為8 -
LMPerson內(nèi)有兩個(gè)成員變量namegendar都是NSString類型，NSString類型占用8字節(jié)。
LMStudent內(nèi)有三個(gè)成員變量namegendarisAdult,namegendar為``NSString類型各占8字節(jié)，isAdult為BOOL類型占1字節(jié)。
每個(gè)類里，蘋果都設(shè)計(jì)包含一個(gè)isa,查看源碼
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
發(fā)現(xiàn)isa是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，占用8個(gè)字節(jié)
對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)LMStudent比LMPerson多一個(gè)BOOL類型的成員變量，內(nèi)存居然相差了8個(gè)字節(jié)，說明內(nèi)部進(jìn)行了內(nèi)存對(duì)齊，具體是不是這樣，我們后面分析class_getInstanceSize探究結(jié)果
3.p實(shí)際的內(nèi)存地址是24,為什么系統(tǒng)分配的內(nèi)存是32呢? 這里malloc_size也進(jìn)行了內(nèi)存對(duì)齊對(duì)齊方式可以看出是16位對(duì)齊，具體是不是這樣，我們后面分析malloc_size探究結(jié)果
在C/C++中，結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型（如
int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類型（如數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合等）的數(shù)據(jù)單元。元素是按照定義順序一個(gè)一個(gè)放到內(nèi)存中去的，但并不是緊密排列的。這就是 內(nèi)存對(duì)齊
為什么要內(nèi)存對(duì)齊
1.平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
2.性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
內(nèi)存對(duì)齊的規(guī)則
- 數(shù)據(jù)成員對(duì)?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))。 - 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).(
structa里存有structb,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(chǔ).) - 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)?。
下面我們通過一個(gè)例子來分析結(jié)構(gòu)體占用的實(shí)際內(nèi)存大小
struct LGStruct1 {
double a; // 8 double 類型在64位上占8個(gè)字節(jié)，位置為[0 7]
char b; // 1 char 類型在64位上占1個(gè)字節(jié) 第8位是1的倍數(shù)，所以在[8]
int c; // 4 int 類型在64位上占4個(gè)字節(jié)，下面第9，10，11位都不是4的倍數(shù)，所以跳過從12位開始存放(9 10 11 [12 13 14 15]
short d; // 2 short類型在64位上占2個(gè)字節(jié)，第16位是2的倍數(shù)，所以從16位開始存放位置為 [16 17]，結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大的占8個(gè)字節(jié)，結(jié)構(gòu)體總大小要為8的倍數(shù)，所以結(jié)構(gòu)體的總大小為 24
}struct1;
struct LGStruct2 {
double a; // 8 double 類型在64位上占8個(gè)字節(jié)，位置為[0 7]
int b; // 4 int 類型在64位上占4個(gè)字節(jié)，第8位是4的倍數(shù)，從第8位開始存放，位置為[8 9 10 11]
char c; // 1 char 類型在64位上占1個(gè)字節(jié) 第8位是1的倍數(shù)，所以位置為[12]
short d; // 2 short類型在64位上占2個(gè)字節(jié)，第13位不是2的倍數(shù)，所以從第14位開始存放(13 [14 15]，結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大的占8個(gè)字節(jié)，結(jié)構(gòu)體總大小要為8的倍數(shù)，所以結(jié)構(gòu)體的總大小為 16
}struct2;
struct LGStruct3 {
double a; // 8 double 類型在64位上占8個(gè)字節(jié)，位置為[0 7]
int b; // 4 int 類型在64位上占4個(gè)字節(jié)，第8位是4的倍數(shù)，從第8位開始存放，位置為[8 9 10 11]
char c; // 1 char 類型在64位上占1個(gè)字節(jié) 第8位是1的倍數(shù)，所以位置為[12]
short d; // 2 short類型在64位上占2個(gè)字節(jié)，第13位不是2的倍數(shù)，所以從第14位開始存放(13 [14 15]
int e; //4 int 類型在64位上占4個(gè)字節(jié)，第16位是4的倍數(shù)，所以從第16位開始存放[16 17 18 19]
struct LGStruct1 str; //24 上面已經(jīng)分析 LGStruct1 實(shí)際占用24， 第20位不是24的倍數(shù)，所以 從 24位開始 （20 21 22 23 [24...47] 結(jié)構(gòu)體str內(nèi)最大的占8個(gè)字節(jié)，結(jié)構(gòu)體總大小要為8的倍數(shù)，所以結(jié)構(gòu)體的總大小為 48
}struct3;
struct LGStruct4 {
float a; //4 [0 1 2 3]
double b; //8 (4 5 6 7 [8 9 10 11 12 13 14 15]
int c; //4 [16 17 18 19]
char d; //1 [20]
struct LGStruct1 str1; // 24 (21 22 23 [24....47]
struct LGStruct2 str2; //16 [48 ...63] 64
}struct4;
打印驗(yàn)證一下：
NSLog(@"%lu-%lu-%lu",sizeof(struct1),sizeof(struct2),sizeof(struct3));
24-16-48
趁熱打鐵再分析幾個(gè)：
struct LGStruct5 {
float a; //4 [0 1 2 3]
double b; //8 (4 5 6 7 [8 9 10 11 12 13 14 15]
int c; //4 [16 17 18 19]
char d; //1 [20]
struct LGStruct2 str2; //16 (21 ...[24.. 39]
struct LGStruct1 str1; //24 [40...63] 64
}struct5;
struct LGStruct6 {
float a; //4 [0 1 2 3]
double b; //8 (4 5 6 7 [8 9 10 11 12 13 14 15]
int c; //4 [16 17 18 19]
char d; //1 [20]
struct LGStruct2 str2; //16 (21 ...[24.. 39]
short e; //2 [40 41]
struct LGStruct1 str1; //24 [48...71] 72
}struct6;
class_getInstanceSize 源碼分析
我們分下class_getInstanceSize源碼確認(rèn)是做了8字節(jié)對(duì)齊
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}
走到alignedInstanceSize方法內(nèi)
uint32_t alignedInstanceSize() const {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
static inline size_t word_align(size_t x) {
return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
//64位下
# define WORD_MASK 7UL
比如 x=4
4+7=13
0000 1101
7
0000 0111
~7
1111 1000
13 & ~7 0000 1101 & 1111 1000
= 0000 1000 即8
所以最終 class_getInstanceSize 以8字節(jié)對(duì)齊
malloc_size 源碼分析
首先我們點(diǎn)擊 malloc_size 發(fā)現(xiàn)源碼在libmalloc，編譯：
malloc_size
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <malloc/malloc.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//申請(qǐng)開辟40字節(jié)內(nèi)存,系統(tǒng)最終開辟48字節(jié)
void *p = calloc(1, 40);
NSLog(@"系統(tǒng)分配的內(nèi)存空間---%lu",malloc_size(p));
//打印//系統(tǒng)分配的內(nèi)存空間---48
}
return 0;
}
malloc_size是獲取系統(tǒng)分配的內(nèi)存大小 calloc是系統(tǒng)開辟內(nèi)存,所以malloc_size底層流程其實(shí)是calloc
所以我們探究下calloc都做了什么
void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
return _malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size, MZ_POSIX);
}
static void *
_malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size,
malloc_zone_options_t mzo)
{
MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, num_items, size, 0);
void *ptr;
if (malloc_check_start) {
internal_check();
}
//我們看到 return ptr;所以斷定下面這行是關(guān)鍵代碼
ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);
if (os_unlikely(malloc_logger)) {
malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE | MALLOC_LOG_TYPE_CLEARED, (uintptr_t)zone,
(uintptr_t)(num_items * size), 0, (uintptr_t)ptr, 0);
}
MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, num_items, size, (uintptr_t)ptr);
if (os_unlikely(ptr == NULL)) {
malloc_set_errno_fast(mzo, ENOMEM);
}
return ptr;
}
到這里我們發(fā)現(xiàn)zone->calloc點(diǎn)不進(jìn)去了，怎么辦呢，我們可以采用之前查看匯編的方法：打斷點(diǎn)然后Debug->Debug Workflow -> Always show Disassembly:
斷點(diǎn)
zone->calloc所在位置
我們也可以使用LLDB打印的方法：
zone->calloc所在位置
我們接著看
default_zone_calloc源碼：
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);
}
這里同樣可以通過匯編或者打印看下一步執(zhí)行的步驟：
default_zone_calloc
nano_calloc
_nano_malloc_check_clear
因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心內(nèi)存的變化，這里注意
size_t 有一個(gè)segregated_size_to_fit操作。segregated_size_to_fit做了什么呢？我們接著往下看：
#define SHIFT_NANO_QUANTUM 4
#define NANO_REGIME_QUANTA_SIZE (1 << SHIFT_NANO_QUANTUM) // 16
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 16
}
k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; // round up and shift for number of quanta
//k = (40 + 16 -1) >> 4
slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM; // multiply by power of two quanta size
//slot_bytes = (40 + 16 -1) >> 4 << 4
*pKey = k - 1; // Zero-based!
return slot_bytes;
}
經(jīng)過對(duì)齊算法，按照16字節(jié)對(duì)齊之后40字節(jié)按48字節(jié)開辟空間
總結(jié)
內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則
- 數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：從該成員大小或者成員的子成員大小整數(shù)倍開始。
- 結(jié)構(gòu)體作為成員對(duì)齊規(guī)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)。
- 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)?。
內(nèi)存對(duì)齊原因
提高cpu存取效率，保證數(shù)據(jù)讀取安全
常見對(duì)齊
- 堆上的對(duì)象內(nèi)存以16字節(jié)對(duì)齊
- 對(duì)象的成員變量內(nèi)存以8字節(jié)對(duì)齊
- 對(duì)象與對(duì)象之間內(nèi)存以16字節(jié)對(duì)齊
