内存对齐
- 什么是内存对齐
- 为什么要内存对齐
- 内存对齐的规则
- 结构体中内存对齐
  - sizeof
  - 无嵌套
  - 有嵌套
- iOS中对象内存对齐
  - iOS中获取内存大小方式
    - class_getInstanceSize()
    - malloc_size()
  - iOS中内存对齐
    - 实际占用内存对齐方式
    - 系统分配内存对齐方式
    - 问题
  - 内存优化
    - 总结

内存对齐

什么是内存对齐

元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小（通常它为4或8）来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始，这就是所谓的内存对齐。

为什么要内存对齐

有些CPU可以访问任意地址上的任意数据，而有些CPU只能在特定地址访问数据，因此不同硬件平台具有差异性，这样的代码就不具有移植性，如果在编译时，将分配的内存进行对齐，这就具有平台可以移植性了
CPU每次寻址都是要消费时间的，并且CPU 访问内存时，是以字长（word size）为单位访问，所以数据结构应该尽可能地在自然边界上对齐，如果访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问，而对齐的内存访问仅需要一次访问，内存对齐后可以提升性能。这是一种以空间换时间的方法，目的降低cpu开销。
举例：
- 假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。
- 现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

内存对齐的规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认"对齐系数"，常用平台默认对齐系数如下：(32位系统对齐系数是4，64位系统对齐系数是8)。这只是默认对齐系数，实际上对齐系数我们是可以修改的，程序员可以通过预编译命令#pragma pack()，n = 1, 2, 4, 8, 18来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

原则一：数据成员对⻬规则
- 结构体（struct）或者联合体（union）的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如 int 4字节，那么存储位置可以是0-4-8-12-16-20 依次类推）
- 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
原则二：数据成员为结构体
- 如果一个结构体里有某些结构体成员，则该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，比如struct a里有struct b， b里面有char, int, double, short，那么b应该从8的整数倍地址开始存储，即最大成员为double 8字节。
原则三：结构(或联合)的整体对齐规则
- 在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的整数倍
- 比如说：编译器指定按照8字节对齐，然后结构体最大数据成员长度为4，最终按照4字节对齐

结构体中内存对齐

根据上面的内存对齐规则，我们探索一下结构体中内存对齐

sizeof

sizeof 是一个操作符，不是函数
我们一般使用sizeof计算内存大小时，传入的对象主要是数据类型，这个是在编译阶段就会确定大小而不是运行时。sizeof最终得到的结果是该数据类型占用空间的大小

无嵌套

struct Struct1 {
    double a;
    char b;
    int c;
    short d;
}struct1;

struct Struct2 {
    double a;
    int b;
    char c;
    short d;
}struct2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%lu-%lu", sizeof(struct1), sizeof(struct2));
    }
    return 0;
}

打印结果：内存对齐[8322:58962] 24-16

根据结果发现，结构体中包含的变量相同，只是因为位置不一样，但是内存大小不一样
根据内存对齐原则，来分析一下结构体中成员的内存占用
Struct1中：
- 变量a: 占8个字节，offset从0开始， min(0，8)，即0 ~ 7 存放a
- 变量b: 占1个字节，offset从8开始， min(8，1)，即8 存放d
- 变量c: 占4个字节，offset从9开始， min(9，4)，9 % 4 != 0，继续往后移动直到找到可以整除4的位置 12 即12 ~ 15 存放b
- 变量d: 占2个字节，offset从16开始，min(16，2)，即16 ~ 17 存放c
- 实际占用18个字节，根据内存对齐原则三，结构体中最大变量a占用8字节，所有最终大小必须是8字节的倍数，最终占用24个字节
Struct2中：
- 变量a: 占8个字节，offset从0开始， min(0，8)，即0 ~ 7 存放a
- 变量b: 占4个字节，offset从8开始， min(8，4)，即8 ~ 11 存放b
- 变量c: 占2个字节，offset从12开始，min(12，2)，即12 ~ 13 存放c
- 变量d: 占1个字节，offset从14开始，min(14，1)，即14 存放d
- 实际占用了15个字节，根据内存对齐原则三，结构体中最大变量a占用8字节，所有最终大小必须是8字节的倍数，最终占用16个字节。

有嵌套

struct Struct2 {
    double a;
    int b;
    char c;
    short d;
}struct2;

struct Struct3 {
    double a;
    char b;
    int c;
    short d;
    struct Struct2 str;
}struct3;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%lu-%lu", sizeof(struct2), sizeof(struct3));
    }
    return 0;
}

打印结果：内存对齐[36173:182032] 16-40

Struct3中：
- 变量a: 占8个字节，offset从0开始， min(0，8)，即0 ~ 7 存放a
- 变量b: 占4个字节，offset从8开始， min(8，4)，即8 ~ 11 存放b
- 变量c: 占2个字节，offset从12开始，min(12，2)，即12 ~ 13 存放c
- 变量d: 占1个字节，offset从14开始，min(14，1)，即14 存放d
- 变量str，由于它是结构体变量，根据内存对齐规则二：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。结构体中最大变量占8字节，所以offset需要从16开始，Struct2的内存大小是18字节。所以min(16, 18)，即16-33存放str
- 实际内存大小是34字节，根据内存对齐原则三，结构体中最大变量a占用8字节，所有最终大小必须是8字节的倍数，最终占用40个字节

iOS中对象内存对齐

iOS中获取内存大小方式

sizeof()在上一小节已经讲述
class_getInstanceSize()获取的是一个对象实际占用的内存空间
malloc_size()获取的是系统实际给开辟的内存空间大小

我们具体看一下后两个实现

class_getInstanceSize()

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

内部调用了alignedInstanceSize()方法

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

我们需要获取未内存对齐大小unalignedInstanceSize()

// May be unaligned depending on class's ivars.
// 可以根据类的成员变量进行对齐。
uint32_t unalignedInstanceSize() const {
    ASSERT(isRealized());
    return data()->ro()->instanceSize;
}

该方法内部是获取类的成员变量大小

对获取到的内存大小，进行对齐

#define WORD_MASK 7UL
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

此处采用的是8字节对齐，也就是说对象中成员变量按照8字节对齐。
具体计算过程如下：假设x为8字节
1. (x + WORD_MASK) = (8 + 7) = 15，用二进制表示：0000 1111
2. ~WORD_MASK = ~7，用二进制表示：1111 1000
3. 15 & ～7，用二进制表示：0000 1000
4. 最终结果8个字节

malloc_size()

获取的是系统实际给开辟的内存空间大小，采用了16字节对齐。

iOS中内存对齐

实际占用内存对齐方式

通过class_getInstanceSize()方法，我们可以看到内部是通过8字节对齐

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

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

系统分配内存对齐方式

调用系统分配的流程可以查看Runtime源码解析-alloc，里面有完整的alloc流程
这里我们只需要知道，最终系统分配内存时，调用instanceSize方法来获取大小。

inline size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
    if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
        return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
    }

    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    if (size < 16) size = 16;  
    return size;
}

这里一般都会进入fastInstanceSize方法

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
    } else {
        size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
        // by setFastInstanceSize
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

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

该方法最后调用了align16()方法，进行16字节对齐。该align16()方法和word_align()内部实现类似，具体如何16字节对齐请参考前面。

问题

为什么实际内存对齐才用8字节？
1. 在iOS对象中，由于任何类都继承NSObject，然后都会有8字节长的isa_t指针，所以根据内存对齐规则，iOS对象才用了8字节对齐。
为什么系统开辟不采用8字节，而选择16字节？
1. 内存容错：对于一个没有任何成员变量的对象来说，它的大小是8字节(isa_t指针)。如果多个没有成员变量的对象存在一起，就会出现每个对象isa_ta指针挨着情况，没有容错性。而才用16字节对齐，之间有8字节的容错性，可有利于对象的扩展。
2. 读取速度快：以16字节的方式去读取，可以加快它的读取速度，提高cpu利用率。

内存优化

由于iOS中对象的本质就是结构体，那么我们可以说对象的内存对齐就是结构体的内存对齐么？我们通过例子具体来探究一下
先定一个Test类，然后Test类里面的成员变量和Struct1保持一致

@interface Test : NSObject

@property (nonatomic, assign) double a;
@property (nonatomic, assign) char b;
@property (nonatomic, assign) int c;
@property (nonatomic, assign) short d;

@end

@implementation Test

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Test *test = [Test alloc];
        test.a = 10.0;
        test.b = 'a';
        test.c = 12;
        test.d = 100;
        
        NSLog(@"struct1 = %lu Test = %lu",sizeof(struct1), class_getInstanceSize([test class]));
    }
    return 0;
}

打印结果：内存对齐[42277:218736] struct1 = 24 Test = 24

在Test类中定义的变量和struct2中顺序是一样的，但是test对象会多带一个isa_t变量，该变量占8个字节。打印结果显示它们的大小是一样的，说明test对象我们定义的变量直占了16个字节。明明和结构体顺序、类型都一样的，为什么对象占用的内存和结构体却不一样。这是因为苹果的内存优化机制
我们具体看一下它是如何进行内存优化的：

通过lldb断点打印可以看出，a的读取是通过0x4024000000000000，b的读取是通过0x0061，c的读取是通过0x0000000c，d的读取是通过0x0064。我们可以发现char b; int c; short d;共用了一个8字节空间。
苹果采用时间换空间的方式，通过对对象的属性存储顺序进行重排，达到内存优化的目的。