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計(jì)算內(nèi)存方法

首先我們要知道計(jì)算內(nèi)存大小的三種方式：

sizeof
class_getInstanceSize；
malloc_size。

接下來(lái)我們定義一個(gè)LGPerson類(lèi)，分析這三種方法。代碼如下:

LGPerson * p = [LGPerson alloc];
LGPerson * q;
NSLog(@"對(duì)象類(lèi)型占用內(nèi)存大小=%lu",sizeof(p));
NSLog(@"對(duì)象類(lèi)型占用內(nèi)存大小=%lu",sizeof(q));
NSLog(@"對(duì)象實(shí)際內(nèi)存大小====%lu",class_getInstanceSize([p class]));
NSLog(@"對(duì)象實(shí)際內(nèi)存大小====%lu",class_getInstanceSize([q class]));
NSLog(@"對(duì)象實(shí)際分配內(nèi)存大小=%lu",malloc_size((__bridge const void *)(p)));
NSLog(@"對(duì)象實(shí)際分配內(nèi)存大小=%lu",malloc_size((__bridge const void *)(q)));

打印結(jié)果:

2020-09-29 14:02:17.810194+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象類(lèi)型占用內(nèi)存大小=8
2020-09-29 14:02:17.810897+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象類(lèi)型占用內(nèi)存大小=8
2020-09-29 14:02:17.811068+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象實(shí)際內(nèi)存大小====8
2020-09-29 14:02:17.811165+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象實(shí)際內(nèi)存大小====0
2020-09-29 14:02:17.811265+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象實(shí)際分配內(nèi)存大小=16
2020-09-29 14:02:17.811352+0800 KCObjc[20870:761876] 對(duì)象實(shí)際分配內(nèi)存大小=0

由打印結(jié)果可以分析出

sizeof()傳入是類(lèi)型，可以放基本數(shù)據(jù)類(lèi)型、對(duì)象、指針。可用來(lái)計(jì)算類(lèi)型占用內(nèi)存大小，這個(gè)在編譯器編譯階段就會(huì)確定，所以sizeof(p)和sizeof(q)的結(jié)果都是一樣的，p和q都是指針類(lèi)型，指針大小為8個(gè)字節(jié)。
class_getInstanceSize計(jì)算對(duì)象的實(shí)際內(nèi)存大小，大小由類(lèi)的屬性和變量來(lái)決定，實(shí)際上并不是嚴(yán)格意義上的對(duì)象內(nèi)存大小。由下面代碼可知，底層進(jìn)行8字節(jié)對(duì)齊。

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

LGPerson類(lèi)中沒(méi)有其他的屬性和變量，但是繼承了NSObject，NSObject中有一個(gè)isa指針，所以?xún)?nèi)存大小是8字節(jié)。

malloc_size系統(tǒng)分配的內(nèi)存大小，是按16字節(jié)對(duì)齊的方式，即是按16的倍數(shù)分配，不足則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)填充字節(jié)。

內(nèi)存對(duì)齊原則

每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù))。程序員可以通過(guò)預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來(lái)改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對(duì)齊系數(shù)”。在iOS中，Xcode默認(rèn)為#pragma pack(8)，即`8字節(jié)對(duì)齊。
內(nèi)存對(duì)齊原則主要有以下三點(diǎn):

數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：struct(結(jié)構(gòu))或者union(聯(lián)合)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?。ㄖ灰摮蓡T有子成員，比如數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開(kāi)始（例如int在32位機(jī)中是4字節(jié)，則要從4的整數(shù)倍地址開(kāi)始存儲(chǔ)）
數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：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(kāi)始存儲(chǔ)（例如：struct a里面存有struct b，b里面有char(1字節(jié))、int(4字節(jié))、double(8字節(jié))等元素，則b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開(kāi)始存儲(chǔ)）
結(jié)構(gòu)體的整體對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)體的總大小，即sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部做大成員的整數(shù)倍，不足的要補(bǔ)齊

下表是各種數(shù)據(jù)類(lèi)型在iOS中的占用內(nèi)存大小,根據(jù)對(duì)應(yīng)類(lèi)型來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)體中內(nèi)存大小

數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)表格

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

如下代碼，我們用實(shí)例進(jìn)行探究結(jié)構(gòu)體對(duì)齊:

struct LGStruct1{
    long    a; // 8
    int     b; // 4
    short   c; // 2
    char    d; // 1
} LGStruct1;

struct LGStruct2{
    long    a; // 8
    char    d; // 1
    int     b; // 4
    short   c; // 2
} LGStruct2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"---%lu------%lu",sizeof(LGStruct1),sizeof(LGStruct2));
    }
    return 0;
}

打印結(jié)果

2020-09-29 15:52:17.811352+0800 KCObjc[20870:761876] -----16------24

由上述代碼可看出兩個(gè)結(jié)構(gòu)體定義的變量和變量類(lèi)型都一致，唯一的區(qū)別只是在于定義變量的順序不一致，那么為什么會(huì)占用的內(nèi)存大小不相等呢？其實(shí)這就是iOS中的內(nèi)存對(duì)齊原則。下面我們就根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和計(jì)算LGStruct1內(nèi)存大小的詳細(xì)過(guò)程：

變量a: 占8個(gè)字節(jié)，從0開(kāi)始，min(0，8)，即0 ~ 7存儲(chǔ)a
變量b: 占4個(gè)字節(jié)，從8開(kāi)始，min(8，4)，即8 ~ 11存儲(chǔ)b
變量c: 占2個(gè)字節(jié)，從12開(kāi)始，min(12，2)，即12~ 13 存儲(chǔ)c
變量d: 占1個(gè)字節(jié)，從14開(kāi)始，min(14，1)，即14存儲(chǔ)d

因此LGStruct1的內(nèi)存大小是15字節(jié)，而LGStruct1中最大的變量是a占8個(gè)字節(jié)，所以LGStruct1需要實(shí)際內(nèi)存必須是8的倍數(shù)(內(nèi)存對(duì)齊原則)，15字節(jié)不是8的倍數(shù)，15向上取整到16 ，所以系統(tǒng)自動(dòng)填充成16字節(jié)，最終sizeof(LGStruct1)的大小是16.

image.png

LGStruct2內(nèi)存大小的詳細(xì)過(guò)程

變量a: 占8個(gè)字節(jié)，從0開(kāi)始，min(0，8)，即0 ~ 7存儲(chǔ)a
變量d: 占1個(gè)字節(jié)，從8開(kāi)始，min(8，1)，即8 存儲(chǔ)d
變量b: 占4個(gè)字節(jié)，從9開(kāi)始，min(9，4)，9 % 4 != 0，繼續(xù)往后移動(dòng)直到找到可以整除4的位置12，min(12，4)，即12 ~ 15 存儲(chǔ)b
變量c: 占2個(gè)字節(jié)，從16開(kāi)始，min(16，2)，即16 ~ 17存儲(chǔ)c
因此LGStruct2的需要的內(nèi)存大小為18字節(jié)，而LGStruct2中最大變量long的字節(jié)數(shù)為8，所以LGStruct2實(shí)際的內(nèi)存大小必須是8的整數(shù)倍，18向上取整到24，主要是因?yàn)?4是8的整數(shù)倍，所以 sizeof(LGStruct2) 的結(jié)果是24

LGStruct2內(nèi)存中的存儲(chǔ)情況圖

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

上面的2個(gè)示例只是簡(jiǎn)單的定義數(shù)據(jù)成員，如果我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)體中嵌套結(jié)構(gòu)體結(jié)果又會(huì)是怎樣的？我們繼續(xù)探究，看下面代碼:

struct LGStruct3{
    long    a; // 8
    int     b; // 4
    short   c; // 2
    char    d; // 1
    struct LGStruct1 Str;
}LGStruct3;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"LGStruct1----%lu",sizeof(LGStruct1));
        NSLog(@"LGStruct2----%lu",sizeof(LGStruct2));
        NSLog(@"LGStruct3----%lu",sizeof(LGStruct3));
    }
    return 0;
}
//結(jié)果
2020-09-30 11:02:46.509957+0800 001-內(nèi)存對(duì)齊原則[22800:939799] LGStruct1----16
2020-09-30 11:02:46.511196+0800 001-內(nèi)存對(duì)齊原則[22800:939799] LGStruct2----24
2020-09-30 11:02:46.512537+0800 001-內(nèi)存對(duì)齊原則[22800:939799] LGStruct3----32

LGStruct3內(nèi)存大小存儲(chǔ)情況的詳細(xì)過(guò)程

變量a: 占8個(gè)字節(jié)，從0開(kāi)始，min(0，8)，即0 ~ 7存儲(chǔ)a
變量b: 占4個(gè)字節(jié)，從8開(kāi)始，min(8，4)，即8 ~ 11存儲(chǔ)b
變量c: 占2個(gè)字節(jié)，從12開(kāi)始，min(12，2)，即12~ 13 存儲(chǔ)b
變量d: 占1個(gè)字節(jié)，從14開(kāi)始，min(14，1)，即14存儲(chǔ)d
變量Str: 結(jié)構(gòu)體變量Str，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則結(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(kāi)始存儲(chǔ)，LGStruct1中最大的變量是long 8字節(jié)，所以Str從16位置開(kāi)始存儲(chǔ)，而Str的為15字節(jié)，即LGStruct1存儲(chǔ)16-31位置

因此LGStruct3的內(nèi)存大小是32字節(jié)，而LGStruct1中最大變量為Str，其最大成員內(nèi)存字節(jié)數(shù)為8，所以LGStruct3內(nèi)存必須是8的倍數(shù)，32是8的倍數(shù)，最終sizeof(LGStruct3)的大小是32
其內(nèi)存存儲(chǔ)情況如下圖所示

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存存儲(chǔ)情況圖

內(nèi)存優(yōu)化(屬性重排)

從上述的示例中，我們可以得出一個(gè)結(jié)論即結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小與結(jié)構(gòu)體成員內(nèi)存大小的順序有關(guān)

若結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員是由內(nèi)存從小到大的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊原則來(lái)計(jì)算內(nèi)存大小，需要增加較多的內(nèi)存占位符，這樣做浪費(fèi)內(nèi)存。
若結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員是由內(nèi)存從大到小的順序定義的，根據(jù)內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小，我們只需要補(bǔ)齊少量?jī)?nèi)存占位符即可滿(mǎn)足內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則。

第二種方式就是蘋(píng)果采用的將類(lèi)中的屬性進(jìn)行重排，來(lái)達(dá)到優(yōu)化內(nèi)存的目的。以下面這個(gè)示例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明蘋(píng)果中屬性重排，即內(nèi)存優(yōu)化:

自定義LGPerson類(lèi)，并定義幾個(gè)屬性

//LGPerson.h
@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

//LGPerson.m
@implementation LGPerson

@end

在main中創(chuàng)建LGPerson的實(shí)例對(duì)象，并對(duì)其屬性賦值

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        person.name      = @"Cooci";
        person.nickName  = @"KC";
        person.age       = 18;
        person.c1        = 'a';
        person.c2        = 'b';

        NSLog(@"%@",person);
    }
    return 0;
}

斷點(diǎn)調(diào)試person，根據(jù)LGPerson的對(duì)象地址，查找出屬性的值
- 通過(guò)地址找出 name &nickName
  
  image.png
通過(guò)0x0000001200006261地址找出age等數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)法找出age等數(shù)據(jù)值，這是因?yàn)?code>蘋(píng)果中針對(duì)age、c1、c2屬性的內(nèi)存進(jìn)行了重排，將他們存儲(chǔ)在同一塊內(nèi)存中,
- age通過(guò)0x00000012讀取
- c1通過(guò)0x61讀取（a的ASCII碼是97）
- c2通過(guò)0x62讀?。╞的ASCII碼是98）
  
  image.png
特殊的double和float
我們嘗試把LGPerson中的height屬性類(lèi)型修改為double,并賦值

@property (nonatomic, assign) double height;
//賦值身高
person.height    = 178;

image.png

我們發(fā)現(xiàn)直接po打印0x4066400000000000，打印不出height的數(shù)值178。這是因?yàn)榫幾g器po打印默認(rèn)當(dāng)做int類(lèi)型處理。p/x (double)178：我們以16進(jìn)制打印double類(lèi)型值打印，發(fā)現(xiàn)完全相同。

綜上總結(jié)蘋(píng)果中的內(nèi)存對(duì)齊思想：
1. 大部分的內(nèi)存都是通過(guò)固定的內(nèi)存塊進(jìn)行讀取。
2. 盡管我們?cè)趦?nèi)存中采用了內(nèi)存對(duì)齊的方式，但并不是所有的內(nèi)存都可以進(jìn)行浪費(fèi)的，蘋(píng)果會(huì)自動(dòng)對(duì)屬性進(jìn)行重排，以此來(lái)優(yōu)化內(nèi)存.

8字節(jié)對(duì)齊與16字節(jié)對(duì)齊

前面我們提及了8字節(jié)對(duì)齊和16字節(jié)對(duì)齊，這時(shí)我們就有疑問(wèn)，什么時(shí)候在哪里采用哪種字節(jié)對(duì)齊，接下來(lái)我們繼續(xù)源碼探索

我們?cè)趏bjc4源碼中搜索class_getInstanceSize，可以在runtime.h找到:

/** 
 * Returns the size of instances of a class.
 * 
 * @param cls A class object.
 * 
 * @return The size in bytes of instances of the class \e cls, or \c 0 if \e cls is \c Nil.
 */
OBJC_EXPORT size_t
class_getInstanceSize(Class _Nullable cls) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

在objc-class.mm可以找到:

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

進(jìn)入alignedInstanceSize:

    // Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
    uint32_t alignedInstanceSize() const {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }

進(jìn)入word_align：

#ifdef __LP64__ // 64位操作系統(tǒng)
#   define WORD_SHIFT 3UL
#   define WORD_MASK 7UL  // 7字節(jié)遮罩
#   define WORD_BITS 64 
#else 
#   define WORD_SHIFT 2UL
#   define WORD_MASK 3UL
#   define WORD_BITS 32
#endif

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    // (x + 7) & (~7)  --> 8字節(jié)對(duì)齊
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

可以看到:

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定64位操作系統(tǒng)，統(tǒng)一使用8字節(jié)對(duì)齊。對(duì)于一個(gè)對(duì)象來(lái)說(shuō)，其真正的對(duì)齊方式是8字節(jié)對(duì)齊。
因外部處理對(duì)象太多，系統(tǒng)為了防止一些容錯(cuò)，會(huì)采用align16為內(nèi)存塊來(lái)存取，主要是因?yàn)椴捎?字節(jié)對(duì)齊時(shí)，兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存會(huì)緊挨著，顯得比較緊湊，而16字節(jié)比較寬松，避免越界訪問(wèn)，提高效率，利于蘋(píng)果以后的擴(kuò)展。

16字節(jié)內(nèi)存對(duì)齊算法

目前已知的16字節(jié)內(nèi)存對(duì)齊算法有兩種

alloc源碼分析中的align16

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

malloc源碼分析中的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) {
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior
    }
    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;
}

算法原理：k + 15 >> 4 << 4 ，其中右移4 + 左移4相當(dāng)于將后4位抹零，跟 k/16 * 16一樣，是16字節(jié)對(duì)齊算法，小于16就成0了
以 k = 2為例，如下圖所示

malloc中16字節(jié)對(duì)齊算法原理

為什么需要16字節(jié)對(duì)齊

原因有一下幾點(diǎn):

通常內(nèi)存是由一個(gè)個(gè)字節(jié)組成的，cpu在存取數(shù)據(jù)時(shí)，并不是以字節(jié)為單位存儲(chǔ)，而是以塊為單位存取，塊的大小為內(nèi)存存取力度。頻繁存取字節(jié)未對(duì)齊的數(shù)據(jù)，會(huì)極大降低cpu的性能，所以可以通過(guò)減少存取次數(shù)來(lái)降低cpu的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)使訪問(wèn)更安全，不會(huì)產(chǎn)生訪問(wèn)混亂的情況。
16字節(jié)對(duì)齊，是由于在一個(gè)對(duì)象中，第一個(gè)屬性isa占8字節(jié)，當(dāng)然一個(gè)對(duì)象肯定還有其他屬性，當(dāng)無(wú)屬性時(shí)，會(huì)預(yù)留8字節(jié)，即16字節(jié)對(duì)齊，如果不預(yù)留，相當(dāng)于這個(gè)對(duì)象的isa和其他對(duì)象的isa緊挨著，容易造成訪問(wèn)混亂。

總結(jié)

綜合前文提及的獲取內(nèi)存大小的方式

class_getInstanceSize：是采用8字節(jié)對(duì)齊，參照的對(duì)象的屬性?xún)?nèi)存大小
malloc_size：采用16字節(jié)對(duì)齊，參照的整個(gè)對(duì)象的內(nèi)存大小，對(duì)象實(shí)際分配的內(nèi)存大小必須是16的整數(shù)倍

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iOS-底層原理 04:內(nèi)存對(duì)齊

iOS-底層原理 04:內(nèi)存對(duì)齊

計(jì)算內(nèi)存方法

內(nèi)存對(duì)齊原則

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體

內(nèi)存優(yōu)化(屬性重排)

8字節(jié)對(duì)齊與16字節(jié)對(duì)齊

16字節(jié)內(nèi)存對(duì)齊算法

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