前言

结构体是c/c++比较常见的数据结构，研究它对于深入学习Object-C也是比较重要的一环。一般的结构体的内存构成不是属性连续的存储，这其中存在着内存对齐。为什么要对齐呢？其根本原因在于提高CPU读取内存的效率。

一、准备

1、C、OC基本数据类型占字节数对照表

C	OC	32位	64位
bool	BOOL(64位)	1	1
signed char	(__signed char)int8_t、BOOL(32位)	1	1
unsigned char	Boolean	1	1
short	int16_t	2	2
unsigned short	unichar	2	2
int int32_t	NSInteger(32位)、boolean_t(32位)	4	4
unsigned int	boolean_t(64位)、NSUInteger(32)	4	4
long	NSInteger(64位)	4	8
unsigned long	NSUInteger(64位)	4	8
long long	int64_t	8	8
float	CGFloat(32位)	4	4
double	CGFloat(64位)	8	8
pointer	pointer	4	8

2、三条对齐原则

① 、数据成员对⻬规则:结构(struct)(或联合(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
从该成员大小或者成员的子成员大小(只要该成员有子成员，比如说是数组，
结构体等)的整数倍开始(比如int为4字节,则要从4的整数倍地址开始存
储。
②、结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,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.(struct a里存有struct b,b
里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储.)
③、收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,.必须是其内部最大
成员的整数倍.不足的要补⻬。

二、分析

1、我们先来看两个简单的结构体

struct LGStruct1 {
    double a;
    char b; 
    int c;  
    short d;
}struct1;

struct LGStruct2 {
    double a;
    int b;
    char c;
    short d;
}struct2;

struct LGStruct3 {
    double a;
    int b;
    struct LGStruct2 sub_struct;
    char c;
    short d;
}struct3;

2、手动分析（都是从0字节开始分析）

• 对于结构体LGStruct1: =>algin(？+ ? + ? + ?)

  分：计算a、b、c、d属性

    a:第一个数据，从0开始排列，由于是double类型，根据上面的对照表需要8个字节，所以内存字节序号区间为[0，7]；=>algin(8+ ? + ? + ?)
    b:根据对照表知道它需要1个字节，有根据上面的原则①知道，它应该放在8号位；=>algin(8+ 1 + ? + ?)
    c:需要4个字节,由于原则①，9、10、11号位都不能填数据，所以对饮内存字节序号为[12,15];=>algin(8+1+(3+4)+?)
    d:需要2个字节,由于原则①,对应内存字节序号区间为[16,17];=>algin(8+1+(3+4)+2);
  

  合：但是,algin(18)需要根据原则③,进行总体内存对齐；我们知道LGStruct1里面a数字所需字节数为8，是最多的，8大于18的最小倍数是24，所以LGStruct1结构体产生的实例struct1所需内存大小为24

• 对于结构体LGStruct2,我们应用上面相同的流程计算可以得到其内存所需大小为16

• 说了这么多都不如运行一下验证我们的推理来的实在,运行结果如下

  
  image.png

怎么样，是不是一模模，一样样；看来我们的过程初步来看是没有问题的。

• 接下来我们来推一下LGStruct3,结构体中嵌套结构体；=>algin(? + ? + ? + ? + ?)
  分: a, b,sub_struct, c, d属性计算

  a : 需要8字节，对应区间[0,7]; => algin(8+ ? + ? + ? + ?)
  b : 需要4字节，对应区间[8, 11]; => algin(8+ 4 + ? + ? + ?)
  sub_struct: 需要16字节，由于原则②，对应的区间为[16, 31];=> algin(8+ 4 + (4 + 16) + ? + ?)
  c : 需要1字节，区间[32,32]; => algin(8+ 4 + (4 + 16) + 1 + ?)
  d : 需要2字节，区间[34, 35]；=> algin(8+ 4 + (4 + 16) + 1 + (1 + 2))
  

  总: 因为内存最大成员为double8字节，所以algin(36) = 40,我们看看运行结果吧!
  

  image.png

看来这一步应该也是正确的。
3、我只到现在我们手动分析了一下，肯定不能满足我们的求知欲；难道大家就没有想过：在内存中结构体真的是按照我们推理的这样排列的吗？不符就干，上图。我们来动态调试分析

image.png

• 我们通过lldb 调试 打印struct 的首地址 p &struct1 : 0x000000010b69d9a0;
• 我们来x/8gx 一下这个首地址：0x000000010b69d9a0；得到一下内容

0x10b69d9a0: 0x3ff0000000000000 0x0000000300000061
0x10b69d9b0: 0x0000000000000004 0x3ff0000000000000
0x10b69d9c0: 0x0005006200000002 0x0000000000000000
0x10b69d9d0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

1）第一个双字(QW)： 0x3ff0000000000000 ,对应的应该就是struct1中的a的内存内容

00111111 11111111 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000  //内容已经大端排列, 二进制展示

对应的double类型

符号位:0
指数部分:1023 - 1023 = 0
尾数部分:0

为什么这么分解请参照浮点类型
求解出来不就是1吗？这里对应的字节区间为[0,7]

2. 第二个双字(QW): 0x0000000300000061,拆分到内存字节序为

   <61, 00, 00, 00, 03, 00, 00, 00> //内容已经小端排列,16进制展示
   

这里肯能就会疑惑，为什么上一个double类型分析，大端排列,这里又小端排列？
答：double类型分析，分析的是已经是double类型整体8字节内容。这里小端是内存的字节序，也就叫主机序（不一样的cpu可能不一样的主机序啊,现在一般都是小端），我们是要进行拆分来分析的。

看0x61不就是字符a的ascii吗,对应的就是struct1中的b属性,这是第8号位,区间[8,8];接下来的区间[9,11]可以看到都是存放的0x00，到了12号位才有数据;我们知道接下来我们需要读取一个int 4字节内容
也就是区间[12, 15]内容<03, 00, 00, 00>转换到大端排列，就是数值为3的struct1中的c中的值。
3）第三个双字(QW): 0x0000000000000004,拆分到内存字节序为

   <04, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00> //内容已经小端排列,16进制展示

我们知道我们接下来要读一个2字节的short,需要读取的内存为<04, 00>, 现在我们应该清晰的认识到这个值为4)对应的是struct1中的d中的值。

5)第4个双字:0x3ff0000000000000对应struct2中的a的值;

6)第五个双字：0x0005006200000002

 <02, 00, 00, 00, 62, 00, 05, 00>

根据前序步骤，聪敏的你们一定可以分析出这里的内容分别是

struct2.b = 2;
struct2.c = 'b';
struct2.d = 5;

三、 总结

结构体的内存布局，抓住3个原则，就可以递归的分析所有的结构体了。了解了结构体的内存结构，有助于我们理解Object-C进行编译的时候为什么会属性重排，其实就是为了提高存储能力。