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Golang如何編寫內存高效及CPU調優的Go結構體_Golang

作者：??AlanHou? ? 更新時間： 2022-09-19 編程語言

前言

結構體是包含多個字段的集合類型，用于將數據組合為記錄。這樣可以將與同一實體相關聯的數據利落地封裝到一個輕量的類型定義中，然后通過對該結構體類型定義方法來實現不同的行為。

本文會嘗試從內存利用和CPU周期的角度講解如何高效編寫struct。

Go語言結構體

我們來看下面這一結構體，這是我們一個奇怪用例所定義的terraform資源類型：

type TerraformResource struct {
  Cloud                string                       // 16字節
  Name                 string                       // 16字節
  HaveDSL              bool                         //  1字節
  PluginVersion        string                       // 16字節
  IsVersionControlled  bool                         //  1字節
  TerraformVersion     string                       // 16字節
  ModuleVersionMajor   int32                        //  4字節
}

使用如下代碼來了解TerraformResource結構體需要分配多少內存：

package main
import (
	"fmt"
	"unsafe"
)
type TerraformResource struct {
	Cloud               string // 16字節
	Name                string // 16字節
	HaveDSL             bool   //  1字節
	PluginVersion       string // 16字節
	IsVersionControlled bool   //  1字節
	TerraformVersion    string // 16字節
	ModuleVersionMajor  int32  //  4字節
}
func main() {
	var d TerraformResource
	d.Cloud = "aws"
	d.Name = "ec2"
	d.HaveDSL = true
	d.PluginVersion = "3.64"
	d.TerraformVersion = "1.1"
	d.ModuleVersionMajor = 1
	d.IsVersionControlled = true
	fmt.Println("==============================================================")
	fmt.Printf("結構體使用的總內存:d %T => [%d]\n", d, unsafe.Sizeof(d))
	fmt.Println("==============================================================")
	fmt.Printf("結構體中的Cloud字段:d.Cloud %T => [%d]\n", d.Cloud, unsafe.Sizeof(d.Cloud))
	fmt.Printf("結構體中的Name字段:d.Name %T => [%d]\n", d.Name, unsafe.Sizeof(d.Name))
	fmt.Printf("結構體中的HaveDSL字段:d.HaveDSL %T => [%d]\n", d.HaveDSL, unsafe.Sizeof(d.HaveDSL))
	fmt.Printf("結構體中的PluginVersion字段:d.PluginVersion %T => [%d]\n", d.PluginVersion, unsafe.Sizeof(d.PluginVersion))
	fmt.Printf("結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.IsVersionControlled %T => [%d]\n", d.IsVersionControlled, unsafe.Sizeof(d.IsVersionControlled))
	fmt.Printf("結構體中的TerraformVersion字段:d.TerraformVersion %T => [%d]\n", d.TerraformVersion, unsafe.Sizeof(d.TerraformVersion))
	fmt.Printf("結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.ModuleVersionMajor %T => [%d]\n", d.ModuleVersionMajor, unsafe.Sizeof(d.ModuleVersionMajor))
}

輸出結果

$ go run golang-struct-memory-allocation.go?
==============================================================
結構體使用的總內存:d main.TerraformResource => [88]
==============================================================
結構體中的Cloud字段:d.Cloud string => [16]
結構體中的Name字段:d.Name string => [16]
結構體中的HaveDSL字段:d.HaveDSL bool => [1]
結構體中的PluginVersion字段:d.PluginVersion string => [16]
結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.IsVersionControlled bool => [1]
結構體中的TerraformVersion字段:d.TerraformVersion string => [16]
結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.ModuleVersionMajor int32 => [4]

因此結構體TerraformResource所需分配的總內存是88字節。TerraformResource類型內存分配

如下圖所示：

TerraformResource的內存分配示意圖

為什么是88字節呢？16 +16 + 1 + 16 + 1+ 16 + 4 = 70 bytes，多出來的18字節是從哪來的？

涉及到結構體的內存分配時，總是會分配連續、字節對齊的內存志，字段按所定義的順序進行內存分配和存儲。這里的字節對齊表示連續的內存塊按平臺的字大小進行偏移排列。

字節對齊后的內存分配示意

可以很清楚地看到TerraformResource.HaveDSL、TerraformResource.isVersionControlled和TerraformResource.ModuleVersionMajor分別僅占用1字節、1字節和4字節。剩余的空間使用空白字節進行填充。

所以重新計算一下：

數據占用字節 =?16字節 + 16字節 + 1字節 + 16字節 + 1字節 + 16字節 + 4字節 =?70字節

空白字節 =?7字節 + 7字節 + 4字節 =?18字節

總字節數?=?數據占用字節?+?空白字節?=?70字節?+?18字節?=?88字節

那如何修復這個問題呢？通過恰當地的數據結構對齊，我們可以這樣來定義結構體：

type TerraformResource struct {
	Cloud               string // 16字節
	Name                string // 16字節
	PluginVersion       string // 16字節
	TerraformVersion    string // 16字節
	ModuleVersionMajor  int32  //  4字節
	HaveDSL             bool   //  1字節
	IsVersionControlled bool   //  1字節
}

使用優化后的結構體來運行同一段代碼：

輸出結果

$ go run golang-struct-memory-allocation.go?
==============================================================
結構體使用的總內存:d main.TerraformResource => [72]
==============================================================
結構體中的Cloud字段:d.Cloud string => [16]
結構體中的Name字段:d.Name string => [16]
結構體中的HaveDSL字段:d.HaveDSL bool => [1]
結構體中的PluginVersion字段:d.PluginVersion string => [16]
結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.IsVersionControlled bool => [1]
結構體中的TerraformVersion字段:d.TerraformVersion string => [16]
結構體中的ModuleVersionMajor字段:d.ModuleVersionMajor int32 => [4]

現在TerraformResource類型總的內存占用是72字節。

我們來看下在內存中是如何排列的：

結構體的內存排列

僅僅是通過對結構體元素進行了一輪數據結構對齊我們就將所占用的內存由88字節降到了72字節，真是太棒了！！！

我們再來算一下

數據占用字節?= 16字節 + 16字節 + 16字節 + 16字節 +4字節 + 1 byte + 1字節 =?70字節

空白字節?=?2字節

總字節數?=?數據占用字節?+?空白字節?=?70字節?+?2字節?=?72字節

通過恰當的數據結構對齊不僅優化了內存占用，還優化了CPU讀取周期，怎么做到的呢？

CPU以字為單位從內存中進行讀取，一個字在32位系統中占用4字節、64位系統中占用8字節。我們聲明的第一個結構體類型TerraformResourceCPU需要讀取11個字才能讀完：

CPU讀取優化前結構體

但對優化后的結構體只需要讀取9個字:

CPU讀取優化后結構體

通過恰當地對結構體進行數據結構排序我們可以讓內存分配和CPU 讀取都變得高效。

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7124539157837250596

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