面试题：Objective-C 中结构体的内存对齐规则在实际编程中有哪些应用场景

Question

请举例说明在Objective-C编程中，利用结构体内存对齐规则来优化内存使用或者提高程序性能的实际场景，并阐述具体的原理和实现方式。

Answer 1

实际场景

在开发游戏时，可能需要大量存储游戏角色的信息。比如一个简单的游戏角色结构体，包含一个int类型的ID（4字节），一个char类型的性别（1字节），以及一个float类型的生命值（4字节）。如果不考虑内存对齐，直接定义结构体如下：

struct GameCharacter {
    int id;
    char gender;
    float health;
};

假设int在32位系统下占4字节，char占1字节，float占4字节，这个结构体理论上大小为4 + 1 + 4 = 9字节。但由于内存对齐规则，实际占用内存会大于9字节。

原理

内存对齐的原理是为了提高CPU访问内存的效率。现代CPU访问内存时，通常以特定大小的块（如4字节、8字节等）进行读取。如果数据存储在未对齐的地址上，CPU可能需要进行多次读取操作，从而降低性能。内存对齐规则规定，结构体中每个成员的偏移量必须是该成员大小的整数倍，结构体的总大小必须是其最大成员大小的整数倍。

实现方式

优化上述结构体，根据内存对齐规则重新排列成员顺序：

struct GameCharacterOptimized {
    int id;
    float health;
    char gender;
};

在这个优化后的结构体中，int和float都是4字节，char是1字节。id的偏移量为0，health的偏移量为4（是4的整数倍），gender的偏移量为8（是1的整数倍）。结构体总大小为4 + 4 + 1 = 9字节，由于要满足最大成员（4字节）的整数倍，所以最终大小为12字节，相比于未优化的结构体，在存储大量角色信息时，能有效节省内存空间，同时也利用内存对齐提高了CPU访问效率，从而提升程序性能。