OC 底层原理（02）内存对齐

一. 获取内存的三种方式

1.1 sizeof

• sizeof 是一个操作符，不是函数
• sizeof 计算的是传进来的数据类型的大小，这个在编译时期就已经确定。
• sizeof 最终得到的结果是该数据类型占用空间的大小

1.2 class_getInstanceSize

• class_getInstanceSize 是runtime提供的api，用于获取 类实例对象所占内存大小，本质是计算`实例的成员变量的内存大小

1.3 malloc_size

• malloc_size 获取系统实际分配的内存大小

1.4 代码示例

总结:

• sizeof ：打印出来是8字节，因为在对象的本质是 结构体指针，而指针的大小就是 8字节

• class_getInstanceSize：对象实际的内存大小，实际内存大小是由类的成员变量的大小决定的。这里40 = isa(8字节) + name(8字节) + nickname(8字节) + age(4字节) + height(8字节)，明明是36为啥输出40呢，这是因为对象内部是8字节对齐方式

• malloc_size 是系统分配的内存大小，是按16字节对齐的方式，即分配的大小是16的倍数 ，不足16的倍数系统会自动填充字节，注意系统的16字节对齐是在实际的内存大小（经过8字节对齐）的基础上。所以这里是 48

疑问？

class_getInstanceSize 和 malloc_size 底层做了什么？ class_getInstanceSize 怎么就是是8字节对齐的呢？ 而malloc_size又怎么就是是16字节对齐的呢? 莫着急，咱继续。。。

二. 内存对齐原则

• 数据成员的对齐规则可以理解为min(m, n) 的公式, 其中 m表示当前成员的开始位置, n表示当前成员所需要的位数。如果满足条件 m 整除 n （即 m % n == 0）, n 从 m 位置开始存储, 反之继续检查 m+1 能否整除 n, 直到可以整除, 从而就确定了当前成员的开始位置。

• 当结构体嵌套了结构体时，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。如struct a中嵌套了 struct b，b 中有 char、int、double类型元素，那么 b 应该从 8（double-8字节）的整数倍地址开始存储

• 结构体的内存大小必须是成员中最大对齐数的整数倍，不足的需要补齐。

三. 验证对齐原则

3.1 下表是各种数据类型在ios中的占用内存大小，根据对应类型来计算结构体中内存大小

3.2 创建两个不同的 struct 分别验证

两个结构体的 成员变量是一致的，唯一不同的是成员变量的摆放顺序不同，位置不同导致所占内存大小不同，这就是内存对齐，我们按照内存对齐规则进行分析： ：

Struct1分析：

1. a占1字节 从位置0开始 0%1 == 0 0的位置存a
2. b占8字节 从位置1开始 1%8 不等于0 移到8 8%8==0 8-15 存b
3. c占4字节 从位置16开始 16%4 等于0 16-19 存c
4. d占2字节 从位置20开始 20%2 等于0 20-21 存d
5. 规则三，内存大小必须为结构体中最大成员8的整数倍，22 变成8的倍数 变成24

Struct2分析：

1. b占8字节 从位置0开始 0%1 == 0 7的位置存b
2. c占4字节 从位置8开始 8%4 等于0 8-11 存c
3. d占2字节 从位置12开始 12%4 等于0 12-13 存d
4. a占1字节 从位置14开始 14%1 等于0 14 存a
5. 规则三，内存大小必须为结构体中最大成员8的整数倍，14变成8的整数倍 变成16

3.3 新增一个结构体 Struct3 嵌套 Struct2

Struct3分析：

1. b占8字节 从位置0开始 0%1 == 0 7的位置存b
2. c占4字节 从位置8开始 8%4 等于0 8-11 存c
3. d占2字节 从位置12开始 12%4 等于0 12-13 存d
4. a占1字节 从位置14开始 14%1 等于0 14 存a
5. st2是一个结构体，规则二 结构体成员要从其内部最大成员大小的整数倍开始存储，而st2中最大的成员大小为8 所以st2要从8的整数倍开始，当前是从15开始 所以不符合要求，需要往后移动到16，16是8的整数倍，符合内存对齐原则 所以 16-31存st2
6. 规则三，内存大小必须为结构体中最大成员8的整数倍，32刚刚满足

四. 内存优化

接着上面的结论，我们思考下，为什么要内存对齐，其实苹果这么做的目的让cpu读取内存的效率更高，用空间换取时间

我们创建一个类YJPerson创建一些属性，并赋值查看内存摆放是什么样的？如下：

按照内存对齐原则，第一个为isa，第二个为name，第三个为age 后面按顺序摆放，通过po 0x0000000b00000012 打印发现 0x0000000b00000012打印出来不是 张三 而0x0000000100004010打印出来为张三 po 0x0000000100004030为zhangsan 那age 和idnum去哪了 看到0x0000000b00000012 分开可以看出 0x0000000b 等于 idnum-11 0x00000012等于 age-18 可以看出系统进行了优化，属性进行了重排

总结:

大部分的内存都是通过固定的内存块进行读取， 尽管我们在内存中采用了内存对齐的方式，但并不是所有的内存都可以进行浪费的，苹果会自动对属性进行重排，以此来优化内存

五. 内存对齐算法

到目前为止，我们在前文既提到了8字节对齐，也提及了16字节对齐，那我们到底采用哪种字节对齐呢？

我们可以通过objc4中class_getInstanceSize的源码来进行分析

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
    return cls->alignedInstanceSize();
}

uint32_t alignedInstanceSize() const {
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}

#define WORD_MASK 7UL
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    // x+7 & (~7) --> 8字节对齐
    // ~：按位取反，7的二进制= 0111 取反后：1000
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

通过源码可知：

• 对于一个对象来说，其真正的对齐方式 是 8字节对齐，8字节对齐已经足够满足对象的需求了
• apple系统为了防止一切的容错，采用的是16字节对齐的内存，主要是因为采用8字节对齐时，两个对象的内存会紧挨着，显得比较紧凑，而16字节比较宽松，利于苹果以后的扩展。

总结 综合前文提及的获取内存大小的方式

• class_getInstanceSize：是采用8字节对齐，参照的对象的属性内存大小

align16： 16字节对齐算法

static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}