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原文地址：在 Go 中恰到好處的內(nèi)存對齊

問題

type Part1 struct {
    a bool
    b int32
    c int8
    d int64
    e byte
}

在開始之前，希望你計算一下 Part1 共占用的大小是多少呢？

func main() {
    fmt.Printf("bool size: %d\n", unsafe.Sizeof(bool(true)))
    fmt.Printf("int32 size: %d\n", unsafe.Sizeof(int32(0)))
    fmt.Printf("int8 size: %d\n", unsafe.Sizeof(int8(0)))
    fmt.Printf("int64 size: %d\n", unsafe.Sizeof(int64(0)))
    fmt.Printf("byte size: %d\n", unsafe.Sizeof(byte(0)))
    fmt.Printf("string size: %d\n", unsafe.Sizeof("EDDYCJY"))
}

輸出結(jié)果：

bool size: 1
int32 size: 4
int8 size: 1
int64 size: 8
byte size: 1
string size: 16

這么一算，Part1 這一個結(jié)構(gòu)體的占用內(nèi)存大小為 1+4+1+8+1 = 15 個字節(jié)。相信有的小伙伴是這么算的，看上去也沒什么毛病

真實情況是怎么樣的呢？我們實際調(diào)用看看，如下：

type Part1 struct {
    a bool
    b int32
    c int8
    d int64
    e byte
}

func main() {
    part1 := Part1{}
    
    fmt.Printf("part1 size: %d, align: %d\n", unsafe.Sizeof(part1), unsafe.Alignof(part1))
}

輸出結(jié)果：

part1 size: 32, align: 8

最終輸出為占用 32 個字節(jié)。這與前面所預(yù)期的結(jié)果完全不一樣。這充分地說明了先前的計算方式是錯誤的。為什么呢？

在這里要提到 “內(nèi)存對齊” 這一概念，才能夠用正確的姿勢去計算，接下來我們詳細的講講它是什么

內(nèi)存對齊

有的小伙伴可能會認為內(nèi)存讀取，就是一個簡單的字節(jié)數(shù)組擺放

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上圖表示一個坑一個蘿卜的內(nèi)存讀取方式。但實際上 CPU 并不會以一個一個字節(jié)去讀取和寫入內(nèi)存。相反 CPU 讀取內(nèi)存是一塊一塊讀取的，塊的大小可以為 2、4、6、8、16 字節(jié)等大小。塊大小我們稱其為內(nèi)存訪問粒度。如下圖：

image

在樣例中，假設(shè)訪問粒度為 4。 CPU 是以每 4 個字節(jié)大小的訪問粒度去讀取和寫入內(nèi)存的。這才是正確的姿勢

為什么要關(guān)心對齊

• 你正在編寫的代碼在性能（CPU、Memory）方面有一定的要求
• 你正在處理向量方面的指令
• 某些硬件平臺（ARM）體系不支持未對齊的內(nèi)存訪問

另外作為一個工程師，你也很有必要學(xué)習(xí)這塊知識點哦 :)

為什么要做對齊

• 平臺（移植性）原因：不是所有的硬件平臺都能夠訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)。例如：特定的硬件平臺只允許在特定地址獲取特定類型的數(shù)據(jù)，否則會導(dǎo)致異常情況
• 性能原因：若訪問未對齊的內(nèi)存，將會導(dǎo)致 CPU 進行兩次內(nèi)存訪問，并且要花費額外的時鐘周期來處理對齊及運算。而本身就對齊的內(nèi)存僅需要一次訪問就可以完成讀取動作

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在上圖中，假設(shè)從 Index 1 開始讀取，將會出現(xiàn)很崩潰的問題。因為它的內(nèi)存訪問邊界是不對齊的。因此 CPU 會做一些額外的處理工作。如下：

1. CPU 首次讀取未對齊地址的第一個內(nèi)存塊，讀取 0-3 字節(jié)。并移除不需要的字節(jié) 0
2. CPU 再次讀取未對齊地址的第二個內(nèi)存塊，讀取 4-7 字節(jié)。并移除不需要的字節(jié) 5、6、7 字節(jié)
3. 合并 1-4 字節(jié)的數(shù)據(jù)
4. 合并后放入寄存器

從上述流程可得出，不做 “內(nèi)存對齊” 是一件有點 "麻煩" 的事。因為它會增加許多耗費時間的動作

而假設(shè)做了內(nèi)存對齊，從 Index 0 開始讀取 4 個字節(jié)，只需要讀取一次，也不需要額外的運算。這顯然高效很多，是標(biāo)準(zhǔn)的空間換時間做法

默認系數(shù)

在不同平臺上的編譯器都有自己默認的 “對齊系數(shù)”，可通過預(yù)編譯命令 #pragma pack(n) 進行變更，n 就是代指 “對齊系數(shù)”。一般來講，我們常用的平臺的系數(shù)如下：

• 32 位：4
• 64 位：8

另外要注意，不同硬件平臺占用的大小和對齊值都可能是不一樣的。因此本文的值不是唯一的，調(diào)試的時候需按本機的實際情況考慮

成員對齊

func main() {
    fmt.Printf("bool align: %d\n", unsafe.Alignof(bool(true)))
    fmt.Printf("int32 align: %d\n", unsafe.Alignof(int32(0)))
    fmt.Printf("int8 align: %d\n", unsafe.Alignof(int8(0)))
    fmt.Printf("int64 align: %d\n", unsafe.Alignof(int64(0)))
    fmt.Printf("byte align: %d\n", unsafe.Alignof(byte(0)))
    fmt.Printf("string align: %d\n", unsafe.Alignof("EDDYCJY"))
    fmt.Printf("map align: %d\n", unsafe.Alignof(map[string]string{}))
}

輸出結(jié)果：

bool align: 1
int32 align: 4
int8 align: 1
int64 align: 8
byte align: 1
string align: 8
map align: 8

在 Go 中可以調(diào)用 unsafe.Alignof 來返回相應(yīng)類型的對齊系數(shù)。通過觀察輸出結(jié)果，可得知基本都是 2^n，最大也不會超過 8。這是因為我手提（64 位）編譯器默認對齊系數(shù)是 8，因此最大值不會超過這個數(shù)

整體對齊

在上小節(jié)中，提到了結(jié)構(gòu)體中的成員變量要做字節(jié)對齊。那么想當(dāng)然身為最終結(jié)果的結(jié)構(gòu)體，也是需要做字節(jié)對齊的

對齊規(guī)則

• 結(jié)構(gòu)體的成員變量，第一個成員變量的偏移量為 0。往后的每個成員變量的對齊值必須為編譯器默認對齊長度（#pragma pack(n)）或當(dāng)前成員變量類型的長度（unsafe.Sizeof），取最小值作為當(dāng)前類型的對齊值。其偏移量必須為對齊值的整數(shù)倍
• 結(jié)構(gòu)體本身，對齊值必須為編譯器默認對齊長度（#pragma pack(n)）或結(jié)構(gòu)體的所有成員變量類型中的最大長度，取最大數(shù)的最小整數(shù)倍作為對齊值
• 結(jié)合以上兩點，可得知若編譯器默認對齊長度（#pragma pack(n)）超過結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員變量的類型最大長度時，默認對齊長度是沒有任何意義的

分析流程

接下來我們一起分析一下，“它” 到底經(jīng)歷了些什么，影響了 “預(yù)期” 結(jié)果

成員對齊

• 第一個成員 a
  • 類型為 bool
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 初始地址，偏移量為 0。占用了第 1 位
• 第二個成員 b
  • 類型為 int32
  • 大小/對齊值為 4 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則 1，其偏移量必須為 4 的整數(shù)倍。確定偏移量為 4，因此 2-4 位為 Padding。而當(dāng)前數(shù)值從第 5 位開始填充，到第 8 位。如下：axxx|bbbb
• 第三個成員 c
  • 類型為 int8
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則1，其偏移量必須為 1 的整數(shù)倍。當(dāng)前偏移量為 8。不需要額外對齊，填充 1 個字節(jié)到第 9 位。如下：axxx|bbbb|c...
• 第四個成員 d
  • 類型為 int64
  • 大小/對齊值為 8 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則 1，其偏移量必須為 8 的整數(shù)倍。確定偏移量為 16，因此 9-16 位為 Padding。而當(dāng)前數(shù)值從第 17 位開始寫入，到第 24 位。如下：axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd
• 第五個成員 e
  • 類型為 byte
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則 1，其偏移量必須為 1 的整數(shù)倍。當(dāng)前偏移量為 24。不需要額外對齊，填充 1 個字節(jié)到第 25 位。如下：axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd|e...

整體對齊

在每個成員變量進行對齊后，根據(jù)規(guī)則 2，整個結(jié)構(gòu)體本身也要進行字節(jié)對齊，因為可發(fā)現(xiàn)它可能并不是 2^n，不是偶數(shù)倍。顯然不符合對齊的規(guī)則

根據(jù)規(guī)則 2，可得出對齊值為 8?，F(xiàn)在的偏移量為 25，不是 8 的整倍數(shù)。因此確定偏移量為 32。對結(jié)構(gòu)體進行對齊

結(jié)果

Part1 內(nèi)存布局：axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd|exxx|xxxx

小結(jié)

通過本節(jié)的分析，可得知先前的 “推算” 為什么錯誤？

是因為實際內(nèi)存管理并非 “一個蘿卜一個坑” 的思想。而是一塊一塊。通過空間換時間（效率）的思想來完成這塊讀取、寫入。另外也需要兼顧不同平臺的內(nèi)存操作情況

巧妙的結(jié)構(gòu)體

在上一小節(jié)，可得知根據(jù)成員變量的類型不同，其結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存會產(chǎn)生對齊等動作。那假設(shè)字段順序不同，會不會有什么變化呢？我們一起來試試吧 :-)

type Part1 struct {
    a bool
    b int32
    c int8
    d int64
    e byte
}

type Part2 struct {
    e byte
    c int8
    a bool
    b int32
    d int64
}

func main() {
    part1 := Part1{}
    part2 := Part2{}

    fmt.Printf("part1 size: %d, align: %d\n", unsafe.Sizeof(part1), unsafe.Alignof(part1))
    fmt.Printf("part2 size: %d, align: %d\n", unsafe.Sizeof(part2), unsafe.Alignof(part2))
}

輸出結(jié)果：

part1 size: 32, align: 8
part2 size: 16, align: 8

通過結(jié)果可以驚喜的發(fā)現(xiàn)，只是 “簡單” 對成員變量的字段順序進行改變，就改變了結(jié)構(gòu)體占用大小

接下來我們一起剖析一下 Part2，看看它的內(nèi)部到底和上一位之間有什么區(qū)別，才導(dǎo)致了這樣的結(jié)果？

分析流程

成員對齊

• 第一個成員 e
  • 類型為 byte
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 初始地址，偏移量為 0。占用了第 1 位
• 第二個成員 c
  • 類型為 int8
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則1，其偏移量必須為 1 的整數(shù)倍。當(dāng)前偏移量為 2。不需要額外對齊
• 第三個成員 a
  • 類型為 bool
  • 大小/對齊值為 1 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則1，其偏移量必須為 1 的整數(shù)倍。當(dāng)前偏移量為 3。不需要額外對齊
• 第四個成員 b
  • 類型為 int32
  • 大小/對齊值為 4 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則1，其偏移量必須為 4 的整數(shù)倍。確定偏移量為 4，因此第 3 位為 Padding。而當(dāng)前數(shù)值從第 4 位開始填充，到第 8 位。如下：ecax|bbbb
• 第五個成員 d
  • 類型為 int64
  • 大小/對齊值為 8 字節(jié)
  • 根據(jù)規(guī)則1，其偏移量必須為 8 的整數(shù)倍。當(dāng)前偏移量為 8。不需要額外對齊，從 9-16 位填充 8 個字節(jié)。如下：ecax|bbbb|dddd|dddd

整體對齊

符合規(guī)則 2，不需要額外對齊

結(jié)果

Part2 內(nèi)存布局：ecax|bbbb|dddd|dddd

總結(jié)

通過對比 Part1 和 Part2 的內(nèi)存布局，你會發(fā)現(xiàn)兩者有很大的不同。如下：

• Part1：axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd|exxx|xxxx

• Part2：ecax|bbbb|dddd|dddd

仔細一看，Part1 存在許多 Padding。顯然它占據(jù)了不少空間，那么 Padding 是怎么出現(xiàn)的呢？

通過本文的介紹，可得知是由于不同類型導(dǎo)致需要進行字節(jié)對齊，以此保證內(nèi)存的訪問邊界

那么也不難理解，為什么調(diào)整結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員變量的字段順序就能達到縮小結(jié)構(gòu)體占用大小的疑問了，是因為巧妙地減少了 Padding 的存在。讓它們更 “緊湊” 了。這一點對于加深 Go 的內(nèi)存布局印象和大對象的優(yōu)化非常有幫

當(dāng)然了，沒什么特殊問題，你可以不關(guān)注這一塊。但你要知道這塊知識點 ??

參考

• Data structure alignment
• Data alignment