结构体及内存对齐

1、什么是结构体

　　定义：结构体是一系列数据的集合，这些数据可能描述了一个物体，也可能是对一个问题的抽象。

　　举个栗子，简单的说，对于人，人有名字，性别，年龄，身高，体重等个人信息，那么，我们在定义这种个体的时候，就不能说它能用一个字符或整型变量来定义。这时候，就需要结构体闪亮登场了。

　　基本语法：

struct 结构体名字 {
    类型 名字;
    类型 名字;
    类型 名字;
    ... 
}结构体变量1，结构体变量2……;

　　方式一：

struct People{
    int age;
    float height;
    float weight;
    NSString *name;
};
初始化及赋值：

struct People pe = {12,164.60,65.15,@"小米"};

　NSLog(@"%@",pe.name);

　　方式二：通过结构体变量

struct Worker{
    NSString *postOfDuty;
    NSString *department;
} Worker1,Worker2;//这里的Worker1 Worker2 相当于方式1中创建的pe 

//用这种方式 定义的结构体  只能使用点语法的方式去赋值
   Worker1.postOfDuty = @"保安";
   Worker2.department = @"研发部门";
   NSLog(@"%@---%@", Worker1.postOfDuty, Worker2.department);

　　方式三：通过typedef的方式创建新类型

typedef struct{
    NSString *name;
    int number;
}Student;//这里的Student就是一个代表这个结构体的新类型


Student stu ={@"小明",12311};
NSLog(@"%@",stu.name);

　　需要注意的有一点，结构体名称和结构体变量可以同时存在也可以只存在一个，方式一中只存在结构体名称不存在结构体变量，方式二中即存在结构体名称也存在结构体变量，下面的方式只存在结构体变量而不存在结构体名称：

struct{
    NSString *nickName;
    int age;
} cat,dog;

 
cat.nickName = @"叮当";
NSLog(@"%@",cat.nickName);

2、结构体和类的区别

　　1、类是引用类型，结构体是值类型，值类型的传递和赋值时是复制操作（不会改变原始对象），而引用类型则只会使用引用对象的一个指向，即对象的地址（会改变原始对象）；(详见下面分析)

　 2、结构体只能封装属性，类却不仅可以封装属性也可以封装方法。如果一个封装的数据有属性也有行为，就只能用类了；

　 3、结构体变量分配在栈，而OC对象分配在栈的空间相对于堆来说是比较小的，但是存储在栈中的数据访问效率相对于堆而言是比较高。所以，我们使用结构体的时候最好是属性比较少的结构体对象，如果属性较多的话就要使用类了。

　　4、类可以集成，这样子类可以使用父类的特性和方法，而结构体不可以；

　　我们在代码中看一下结构体和类在传递和赋值中的区别：

//首先，我们分别定义一个结构体和类
//结构体
struct Worker{
    NSString *postOfDuty;
    NSString *department;
} Worker1,Worker2;

//类
@interface Progremer :NSObject{
    @public
    NSString *_name;
}
@end
@implementation Progremer
@end

//然后进行赋值和传递
 Worker1.postOfDuty = @"保安";
        Worker2 = Worker1;
        Worker1.postOfDuty = @"业务员";
        NSLog(@"%@---%@", Worker1.postOfDuty,Worker2.postOfDuty);
        
        Progremer *p1 = [[Progremer alloc]init];
        p1->_name = @"狸猫";
        Progremer *p2 = p1;
        p1->_name = @"橘猫";
        NSLog(@"%@---%@",p1->_name,p2->_name);
        

//打印结果
2019-04-09 11:28:47.992811+0800 demo1[14951:7433233] 业务员---保安
2019-04-09 11:28:47.992837+0800 demo1[14951:7433233] 橘猫---橘猫

//因为结构体是值传递类型  所以再把worker1复制给worker2的时候 他是把worker1的值复制一遍再给的worker2  也就是1和2是两个一样的独立个体  我们接下来对1进行修改不会影响2  即对值传递类型进行赋值和传递时不会影响到原始对象
//类是引用类型  我们把p1赋值给p2时  他实际上是把p2的指针指到了p1上面  也就是p1和p2本身是指向同一个对象的  所以对p1的成员变量进行修改也会影响p2的输出 即引用类行的赋值和传递会影响原始对象

详细资料

3、内存对齐的意义与原则

　　结构体内存对齐：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。

　　内存对齐可以大大提升内存访问速度，是一种用空间换时间的方法。

　　内存不对齐会导致每次读取数据都会读取两次，使得内存读取速度减慢。

　　cpu把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2,4,8,16 个字节，因此CPU在读取内存的时候是一块一块进行读取的，块的大小称为（memory granularity）内存读取粒度。

　　我们再来看看为什么内存不对齐会影响读取速度？

　　假设CPU要读取一个4字节大小的数据到寄存器中（假设内存读取粒度是4），分两种情况讨论：

1.数据从0字节开始（内存对齐）

　　 2.数据从1字节开始（内存不对齐）

　　　解析：当数据从0字节开始的时候，直接将0-3四个字节完全读取到寄存器，结算完成了（一遍即可）。

　　　当数据从1字节开始的时候，问题很复杂，首先先将前4个字节读到寄存器，并再次读取4-7字节的数据进寄存器，接着把0字节，4,6,7字节的数据剔除，最后合并1,2,3,4字节的数据进寄存器，对一个内存未对齐的寄存器进行了这么多额外操作，大大降低了CPU　的性能。

　　　　但是这还属于乐观情况，内存对齐的作用之一是平台的移植原因，因为只有部分CPU肯干，其他部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

　　A、结构体的内存对齐

　　　　1.在有#pragma pack宏的情况下

　　　　　　有宏定义的情况下结构体的自身宽度就是宏上规定的数值大小所有内存都按照这个宽度去布局

　　　　　　　　#pragma pack 参数只能是 '1', '2', '4', '8', or '16'

　　　　2.在没有#pragma pack宏的情况下

　　　　　　没有宏定义的情况下结构体的自身宽度有最大成员属性的宽度决定

　　　　内存对齐原则：

　　　　1、第一个成员的首地址为0.

　　　 2、每个成员的首地址是自身大小的整数倍

　　　　3、结构体的总大小，为其成员中所含最大类型的整数倍。

　　　　视频讲解（这个讲解的比较清楚但是画质不太好这里面有个点我觉得讲的不够清晰 ↓↓↓ 例1例2中忽略了isa指针）

　　　　　　关于例1中 age为什么会间隔name有一个间隔是因为每个成员距离首地址偏移量应该是自身大小的整倍数 char占用一个字节所以例2中可以挨着name1继续放但是 short自身占用两个字节所以它只能分配在距离首地址2n的位置

　　　　接下来看下面两个例子：同一个结构体创建相同的成员变量所占用内存情况也不近相同

　　　　内存分配及使用情况如下图：分配16个使用16个

　　　　内存分配及使用情况如下图：分配32个使用24个（关于分配32个这个是由于操作系统的内存对齐原则接下来会讲到）　　

　　　　所以即使同样的结构体同样的成员变量不同的位置也会造成不一样的内存开销这也就是app的优化空间

　　B、操作系统的内存对齐

　　　　在mac系统中，操作系统在分配内存的时候只会分配16的整倍数的内存空间比如你有15字节的东西存储到内存中会分配给你16个字节的内存空间你有17个字节的东西分配到内存空间就会给你分配32个字节的内存空间

　　　　就好比操作系统的内存池中只有16 32 48 64 80 96 112 这些固定大小的桶会分配给你一个能放下你东西的最小规格的桶

#define NANO_MAX_SIZE    256 /* Buckets sized {16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, ...} */

另外结构体的内存地址就是它第一个成员变量的地址 isa永远都是结构体中的第一个成员变量所以结构体的地址也就是其isa指针的地址（不确定）

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/4399281/blog/3581505

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