Go语言内存对齐详解

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前言

前面有篇文章我们学习了 Go语言空结构体，最近又在看 unsafe包 的知识，在查阅相关资料时不免会看到内存对齐相关的内容，虽然感觉这类知识比较底层，但是看到了却不深究和渣男有什么区别？虽然我不会，但我可以学🐶，那么这篇文章，我们就一起来看下什么是内存对齐吧！

说明：本文中的测试示例，均是基于Go1.17 64位机器

基础知识

在Go语言中，我们可以通过 unsafe.Sizeof(x) 来确定一个变量占用的内存字节数（不包含 x 所指向的内容的大小）。

例如对于字符串数组，在64位机器上，unsafe.Sizeof() 返回的任意字符串数组大小为 24 字节，和其底层数据无关：

func main() {
    s := []string{"1", "2", "3"}
    s2 := []string{"1"}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(s))  // 24
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(s2)) // 24
}

对于Go语言的内置类型，占用内存大小如下：

类型	字节数
bool	1个字节
intN, uintN, floatN, complexN	N/8 个字节 （int32 是 4 个字节）
int, uint, uintptr	计算机字长/8 (64位 是 8 个字节)
*T, map, func, chan	计算机字长/8 (64位 是 8 个字节)
string （data、len）	2 * 计算机字长/8 (64位 是 16 个字节)
interface (tab、data 或 _type、data)	2 * 计算机字长/8 (64位 是 16 个字节)
[]T (array、len、cap)	3 * 计算机字长/8 (64位 是 24 个字节)

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(int(1)))                  // 8
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(uintptr(1)))                    // 8
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(map[string]string{}))       // 8
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(string("")))                    // 16
    fmt.Println(unsafe.Sizeof([]string{}))                    // 24

    var a interface{}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(a))                                   // 16
}

看个问题

基于上面的理解，那么对于一个结构体来说，占用内存大小就应该等于多个基础类型占用内存大小的和，我们就结合几个示例来看下：

type Example struct {
    a bool // 1个字节
    b int    // 8个字节
    c string // 16个字节
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(Example{})) // 32
}

Example 结构体的三个基础类型，加起来一个 25字节，但是最终输出的却是 32字节。

我们再看两个结构体，即使这两个结构体包含的字段类型一致，但是顺序不一致，最终输出的大小也不一样：

type A struct {
    a int32
    b int64
    c int32
}

type B struct {
    a int32
    b int32
    c int64
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{})) // 24
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{})) // 16
}

是什么导致了上述问题的呢，这就引出了我们要看的知识点：内存对齐。

什么是内存对齐

我们知道，在计算机中访问一个变量，需要访问它的内存地址，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是：在访问特定类型变量的时候通常在特定的内存地址访问，这就需要对这些数据在内存中存放的位置有限制，各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

内存对齐是编译器的管辖范围。表现为：编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

为什么需要内存对齐

1. 有些CPU可以访问任意地址上的任意数据，而有些CPU只能在特定地址访问数据，因此不同硬件平台具有差异性，这样的代码就不具有移植性，如果在编译时，将分配的内存进行对齐，这就具有平台可以移植性了。

2. CPU 访问内存时并不是逐个字节访问，而是以字长（word size）为单位访问，例如 32位的CPU 字长是4字节，64位的是8字节。如果变量的地址没有对齐，可能需要多次访问才能完整读取到变量内容，而对齐后可能就只需要一次内存访问，因此内存对齐可以减少CPU访问内存的次数，加大CPU访问内存的吞吐量。

假设每次访问的步长为4个字节，如果未经过内存对齐，获取b的数据需要进行两次内存访问，最后再进行数据整理得到b的完整数据：

image-20220313230839425

如果经过内存对齐，一次内存访问就能得到b的完整数据，减少了一次内存访问：

image-20220313231143302

unsafe.AlignOf()

unsafe.AlignOf(x) 方法的返回值是 m，当变量进行内存对齐时，需要保证分配到 x 的内存地址能够整除 m。因此可以通过这个方法，确定变量x 在内存对齐时的地址：

• 对于任意类型的变量 x ，unsafe.Alignof(x) 至少为 1。
• 对于 struct 结构体类型的变量 x，计算 x 每一个字段 f 的 unsafe.Alignof(x.f)，unsafe.Alignof(x) 等于其中的最大值。
• 对于 array 数组类型的变量 x，unsafe.Alignof(x) 等于构成数组的元素类型的对齐倍数。

对于系统内置基础类型变量 x ，unsafe.Alignof(x) 的返回值就是 min(字长/8，unsafe.Sizeof(x))，即计算机字长与类型占用内存的较小值：

func main() {
  fmt.Println(unsafe.Alignof(int(1))) // 1 -- min(8,1)
  fmt.Println(unsafe.Alignof(int32(1))) // 4 -- min (8,4)
    fmt.Println(unsafe.Alignof(int64(1))) // 8 -- min (8,8)
  fmt.Println(unsafe.Alignof(complex128(1))) // 8 -- min(8,16)
}  

内存对齐规则

我们讲内存对齐，就是把变量放在特定的地址，那么如何计算特定地址呢，这就涉及到内存对齐规则：

• 成员对齐规则

针对一个基础类型变量，如果 unsafe.AlignOf() 返回的值是 m，那么该变量的地址需要 被m整除 （如果当前地址不能整除，填充空白字节，直至可以整除）。

• 整体对齐规则

针对一个结构体，如果 unsafe.AlignOf() 返回值是 m，需要保证该结构体整体内存占用是 m的整数倍，如果当前不是整数倍，需要在后面填充空白字节。

通过内存对齐后，就可以在保证在访问一个变量地址时：

1. 如果该变量占用内存小于字长：保证一次访问就能得到数据；
2. 如果该变量占用内存大于字长：保证第一次内存访问的首地址，是该变量的首地址。

举个例子

例1：

type A struct {
    a int32
    b int64
    c int32
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{1, 1, 1}))  // 24
}

1. 第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：

成员变量1内存对齐

2. 第二个字段是 int64 类型，unsafe.Sizeof(int64(1)) = 8，内存占用为 8 个字节，同时unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，需保证变量放置首地址可以被8整除，当前地址为4，距离4最近的且可以被8整除的地址为8，因此需要添加四个空白字节，从8开始放置：

成员变量2内存对齐

3. 第三个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，当前地址为16，16可以被4整除：

成员变量3内存对齐

4. 所有成员对齐都已经完成，现在我们需要看一下整体对齐规则：unsafe.Alignof(A{}) = 8，即三个变量成员的最大值，内存对齐需要保证该结构体的内存占用是 8 的整数倍，当前内存占用是 20个字节，因此需要再补充4个字节：

整体对齐

5. 最终该结构体的内存占用为 24字节。

例二：

type B struct {
    a int32
    b int32
    c int64
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{1, 1, 1}))  // 16
}

1. 第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：

成员变量1内存对齐

2. 第二个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，当前地址为4，4可以被4整除：

成员变量2内存对齐

3. 第三个字段是 int64 类型，unsafe.Sizeof(int64(1))=8，内存占用为8个字节，同时unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，内存对齐需保证变量首地址可以被8整除，当前地址为8，8可以被8整除：

成员变量3内存对齐

4. 所有成员对齐都已经完成，现在我们需要看一下整体对齐规则：unsafe.Alignof(B{}) = 8，即三个变量成员的最大值，内存对齐需要保证该结构体的内存占用是 8 的整数倍，当前内存占用是 16个字节，已经符合规则，最终该结构体的内存占用为 16个字节。

空结构体的对齐规则

如果空结构体作为结构体的内置字段：当变量位于结构体的前面和中间时，不会占用内存；当该变量位于结构体的末尾位置时，需要进行内存对齐，内存占用大小和前一个变量的大小保持一致。

type C struct {
    a struct{}
    b int64
    c int64
}

type D struct {
    a int64
    b struct{}
    c int64
}

type E struct {
    a int64
    b int64
    c struct{}
}

type F struct {
    a int32
    b int32
    c struct{}
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(C{})) // 16
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(D{})) // 16
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(E{})) // 24
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(F{})) // 12
}

总结

本篇文章我们一起学习了Go 语言中的内存对齐，主要内容如下：

• unsafe.Sizeof(x) 返回了变量x的内存占用大小
• 两个结构体，即使包含变量类型的数量相同，但是位置不同，占用的内存大小也不同，由此引出了内存对齐
• 内存对齐包含成员对齐和整体对齐，与 unsafe.AlignOf(x) 息息相关
• 空结构体作为成员变量时，是否占用内存和所处位置有关
• 在实际开发中，我们可以通过调整变量位置，优化内存占用（一般按照变量内存大小顺序排列，整体占用内存更小）

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