前言

前面有篇文章我們學習了?Go 語言空結構體詳解，最近又在看 unsafe包的知識，在查閱相關資料時不免會看到內存對齊相關的內容，雖然感覺這類知識比較底層，但是看到了卻不深究和渣男有什么區別？雖然我不會，但我可以學，那么這篇文章，我們就一起來看下什么是內存對齊吧！

說明：本文中的測試示例，均是基于Go1.17 64位機器

基礎知識

在Go語言中，我們可以通過?unsafe.Sizeof(x)?來確定一個變量占用的內存字節數（不包含 x 所指向的內容的大小）。

例如對于字符串數組，在64位機器上，unsafe.Sizeof() 返回的任意字符串數組大小為 24 字節，和其底層數據無關：

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

對于Go語言的內置類型，占用內存大小如下：

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
}

看個問題

基于上面的理解，那么對于一個結構體來說，占用內存大小就應該等于多個基礎類型占用內存大小的和，我們就結合幾個示例來看下：

type?Example?struct?{
?a?bool?//?1個字節
?b?int??//?8個字節
?c?string?//?16個字節
}

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

Example 結構體的三個基礎類型，加起來一個?25字節，但是最終輸出的卻是?32字節。

我們再看兩個結構體，即使這兩個結構體包含的字段類型一致，但是順序不一致，最終輸出的大小也不一樣：

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
}

是什么導致了上述問題的呢，這就引出了我們要看的知識點：內存對齊。

什么是內存對齊

我們知道，在計算機中訪問一個變量，需要訪問它的內存地址，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是：在訪問特定類型變量的時候通常在特定的內存地址訪問，這就需要對這些數據在內存中存放的位置有限制，各種類型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。

內存對齊是編譯器的管轄范圍。表現為：編譯器為程序中的每個“數據單元”安排在適當的位置上。

為什么需要內存對齊

• 有些CPU可以訪問任意地址上的任意數據，而有些CPU只能在特定地址訪問數據，因此不同硬件平臺具有差異性，這樣的代碼就不具有移植性，如果在編譯時，將分配的內存進行對齊，這就具有平臺可以移植性了。
• CPU?訪問內存時并不是逐個字節訪問，而是以字長（word size）為單位訪問，例如 32位的CPU 字長是4字節，64位的是8字節。如果變量的地址沒有對齊，可能需要多次訪問才能完整讀取到變量內容，而對齊后可能就只需要一次內存訪問，因此內存對齊可以減少CPU訪問內存的次數，加大CPU訪問內存的吞吐量。

假設每次訪問的步長為4個字節，如果未經過內存對齊，獲取b的數據需要進行兩次內存訪問，最后再進行數據整理得到b的完整數據：

image-20220313230839425

如果經過內存對齊，一次內存訪問就能得到b的完整數據，減少了一次內存訪問：

image-20220313231143302

unsafe.AlignOf()

unsafe.AlignOf(x) 方法的返回值是 m，當變量進行內存對齊時，需要保證分配到 x 的內存地址能夠整除?m。因此可以通過這個方法，確定變量x 在內存對齊時的地址：

• 對于任意類型的變量 x ，unsafe.Alignof(x)?至少為 1。
• 對于 struct 結構體類型的變量 x，計算 x 每一個字段 f 的?unsafe.Alignof(x.f)，unsafe.Alignof(x)?等于其中的最大值。
• 對于 array 數組類型的變量 x，unsafe.Alignof(x)?等于構成數組的元素類型的對齊倍數。

對于系統內置基礎類型變量 x ，unsafe.Alignof(x)?的返回值就是?min(字長/8，unsafe.Sizeof(x))，即計算機字長與類型占用內存的較小值：

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)
}??

內存對齊規則

我們講內存對齊，就是把變量放在特定的地址，那么如何計算特定地址呢，這就涉及到內存對齊規則：

成員對齊規則

針對一個基礎類型變量，如果?unsafe.AlignOf()?返回的值是 m，那么該變量的地址需要?被m整除?（如果當前地址不能整除，填充空白字節，直至可以整除）。

整體對齊規則

針對一個結構體，如果?unsafe.AlignOf()?返回值是 m，需要保證該結構體整體內存占用是?m的整數倍，如果當前不是整數倍，需要在后面填充空白字節。

通過內存對齊后，就可以保證在訪問一個變量地址時：

• 如果該變量占用內存小于字長：保證一次訪問就能得到數據；
• 如果該變量占用內存大于字長：保證第一次內存訪問的首地址，是該變量的首地址。

舉個例子

例1：

type?A?struct?{
?a?int32
?b?int64
?c?int32
}

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

1.第一個字段是 int32 類型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內存占用為4個字節，同時unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內存對齊需保證變量首地址可以被4整除，我們假設地址從0開始，0可以被4整除：

成員變量1內存對齊

2.第二個字段是 int64 類型，unsafe.Sizeof(int64(1)) = 8，內存占用為 8 個字節，同時unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，需保證變量放置首地址可以被8整除，當前地址為4，距離4最近的且可以被8整除的地址為8，因此需要添加四個空白字節，從8開始放置：

成員變量2內存對齊

3.第三個字段是 int32 類型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內存占用為4個字節，同時unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內存對齊需保證變量首地址可以被4整除，當前地址為16，16可以被4整除：

成員變量3內存對齊

4.所有成員對齊都已經完成，現在我們需要看一下整體對齊規則：unsafe.Alignof(A{}) = 8，即三個變量成員的最大值，內存對齊需要保證該結構體的內存占用是 8 的整數倍，當前內存占用是 20個字節，因此需要再補充4個字節：

整體對齊

5.最終該結構體的內存占用為 24字節。

例二：

type?B?struct?{
?a?int32
?b?int32
?c?int64
}

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

1.第一個字段是 int32 類型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內存占用為4個字節，同時unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內存對齊需保證變量首地址可以被4整除，我們假設地址從0開始，0可以被4整除：

成員變量1內存對齊

2.第二個字段是 int32 類型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內存占用為4個字節，同時unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內存對齊需保證變量首地址可以被4整除，當前地址為4，4可以被4整除：

成員變量2內存對齊

3.第三個字段是 int64 類型，unsafe.Sizeof(int64(1))=8，內存占用為8個字節，同時unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，內存對齊需保證變量首地址可以被8整除，當前地址為8，8可以被8整除：

成員變量3內存對齊

4.所有成員對齊都已經完成，現在我們需要看一下整體對齊規則：unsafe.Alignof(B{}) = 8，即三個變量成員的最大值，內存對齊需要保證該結構體的內存占用是 8 的整數倍，當前內存占用是 16個字節，已經符合規則，最終該結構體的內存占用為 16個字節。

空結構體的對齊規則

如果空結構體作為結構體的內置字段：當變量位于結構體的前面和中間時，不會占用內存；當該變量位于結構體的末尾位置時，需要進行內存對齊，內存占用大小和前一個變量的大小保持一致。

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
}

總結

本篇文章我們一起學習了Go 語言中的內存對齊，主要內容如下：

• unsafe.Sizeof(x) 返回了變量x的內存占用大小
• 兩個結構體，即使包含變量類型的數量相同，但是位置不同，占用的內存大小也不同，由此引出了內存對齊
• 內存對齊包含成員對齊和整體對齊，與 unsafe.AlignOf(x) 息息相關
• 空結構體作為成員變量時，是否占用內存和所處位置有關
• 在實際開發中，我們可以通過調整變量位置，優化內存占用（一般按照變量內存大小順序排列，整體占用內存更小）