面试题：Objective-C 基本数据类型与变量声明：内存对齐与结构体

Question

假设有如下Objective-C结构体定义：`typedef struct { char a; int b; short c; } MyStruct;`，请说明这个结构体在内存中的布局情况，包括每个成员变量的起始地址以及结构体整体占用的内存大小。解释内存对齐原则在这个结构体中是如何应用的，并且说明如何通过调整结构体成员顺序来优化内存使用。

Answer 1

1. 内存布局情况：
   • 在默认情况下，结构体的内存布局遵循内存对齐原则。假设MyStruct结构体从内存地址0x1000开始。
   • char a：char类型占1个字节，它的起始地址为0x1000。
   • int b：int类型通常在32位和64位系统中占4个字节。由于内存对齐原则，int类型需要4字节对齐，a占1字节，为了满足b的4字节对齐，a后面会填充3个字节，所以b的起始地址为0x1004。
   • short c：short类型占2个字节，short类型通常2字节对齐，b占4字节，c的起始地址为0x1008。
   • 结构体整体占用的内存大小：a占1字节，填充3字节，b占4字节，c占2字节，总共是1 + 3+4 + 2=10字节，但是结构体的大小需要是其最大对齐成员（这里是int，4字节对齐）的整数倍，所以结构体整体占用12字节。
2. 内存对齐原则的应用：
   • 自然对齐原则：每个数据成员的起始地址必须是该成员自身大小的整数倍。例如int b要求4字节对齐，short c要求2字节对齐。
   • 结构体整体对齐：结构体的大小必须是其最大对齐成员大小的整数倍。在这个例子中，最大对齐成员是int（4字节对齐），所以结构体大小最终为12字节。
3. 优化内存使用 - 调整结构体成员顺序：
   • 可以将成员变量按照大小从大到小排序，即typedef struct { int b; short c; char a; } MyStructOptimized;。
   • 此时，int b起始地址为0x1000（占4字节），short c起始地址为0x1004（占2字节），char a起始地址为0x1006（占1字节），结构体整体大小为4 + 2+1 = 7字节，由于要满足4字节对齐（int的对齐要求），所以结构体大小为8字节，相比原来的12字节，优化了内存使用。