面试题：Objective-C联合存储（union）在内存对齐和数据访问优化上的应用

Question

在Objective-C中，联合存储（union）的内存分配遵循怎样的规则？请举例说明如何利用联合存储进行内存对齐优化以提升数据访问效率，特别是在处理复杂数据结构时。如果联合存储中包含结构体，该如何考虑内存布局和访问逻辑？

Answer 1

联合存储（union）内存分配规则

1. 占用内存：联合存储占用的内存空间是其最大成员所需要的空间。例如：

union Data {
    int i;
    float f;
    char c[4];
};

在上述联合 Data 中，int 通常占4字节，float 通常也占4字节，char[4] 占4字节。所以 union Data 占用4字节内存空间。

2. 内存共享：联合的所有成员共享同一块内存空间，在某一时刻只有一个成员的值是有效的。

利用联合存储进行内存对齐优化及提升数据访问效率

1. 示例：假设我们有一个复杂数据结构，其中包含不同大小的数据类型，并且我们希望根据不同场景访问不同类型数据，同时优化内存使用。

union ComplexData {
    struct {
        uint8_t field1;
        uint16_t field2;
        uint32_t field3;
    } parts;
    uint64_t whole;
};

在这个例子中，struct 中的 field1 占1字节，field2 占2字节，field3 占4字节。由于内存对齐，struct 整体会占用8字节（field1 占1字节，为对齐 field2 补齐1字节，field2 占2字节，field3 占4字节）。uint64_t 也占8字节。这样，使用联合存储，无论以 struct 方式访问（不同字段分别访问）还是以 uint64_t 整体访问，都能有效利用内存，并且在某些场景下提升数据访问效率。

联合存储中包含结构体时的内存布局和访问逻辑

1. 内存布局：
   • 联合本身的内存布局遵循上述规则，即占用空间为最大成员的空间。
   • 对于联合中的结构体，结构体自身的内存布局遵循结构体的内存对齐规则。例如：

struct InnerStruct {
    char a;
    int b;
};
union OuterUnion {
    struct InnerStruct inner;
    long long c;
};

在 InnerStruct 中，char 占1字节，为对齐 int（通常4字节），InnerStruct 会占用8字节（a 占1字节，补齐3字节，b 占4字节）。OuterUnion 占用8字节，因为 long long（通常8字节）是最大成员。 2. 访问逻辑：

• 当访问联合中的结构体成员时，按照结构体成员的访问方式访问。例如：

OuterUnion u;
u.inner.a = 'x';
u.inner.b = 10;

• 当以联合的其他成员方式访问时，要注意数据的一致性和类型转换。例如：

long long value = u.c;
// 此时value的值取决于之前对u.inner的赋值情况，需要根据业务逻辑确保数据理解正确