什么是內(nèi)存對(duì)齊

為保證程序順利高效的運(yùn)行，編譯器會(huì)把各種類型的數(shù)據(jù)安排到合適的地址，并占用合適的長度，這就是內(nèi)存對(duì)齊。

每種類型的對(duì)齊值就是它的對(duì)齊邊界，內(nèi)存對(duì)齊要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址以及占用的字節(jié)數(shù)都要是它的對(duì)齊邊界的倍數(shù)。所以下述的int32要錯(cuò)開兩個(gè)字節(jié)，從4開始存，卻不能緊接著從2開始。

也可以這樣解釋：

CPU把內(nèi)存當(dāng)成是一塊一塊的，塊的大小可以是2，4，8，16字節(jié)大小，因此CPU在讀取內(nèi)存時(shí)是一塊一塊進(jìn)行讀取的。塊大小成為memory access granularity（粒度）。

如果不進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊

比如我們想從地址1開始讀8字節(jié)的數(shù)據(jù)：

CPU會(huì)分兩次讀：

• 第一次從 0 - 7 但只取后 7 字節(jié)。
• 第二次從 8 - 15 但只取第 1 字節(jié)。

分兩次讀，這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)性能造成影響。

為什么要內(nèi)存對(duì)齊

原因主要有兩點(diǎn)：

• 平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
• 性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

對(duì)齊邊界

那該怎么確定每種數(shù)據(jù)的對(duì)齊邊界呢？這和平臺(tái)有關(guān)，go語言支持這些平臺(tái)：

可以看到常見的32位平臺(tái)，指針寬度和寄存器寬度都是4字節(jié)，64位平臺(tái)上都是8字節(jié)。而被go語言稱為寄存器寬度的這個(gè)值，就可以理解為機(jī)器字長，也是平臺(tái)對(duì)應(yīng)的最大對(duì)齊邊界。

而數(shù)據(jù)類型的對(duì)齊邊界，是取類型大小與平臺(tái)最大對(duì)齊邊界中較小的那個(gè)。不過要注意，同一個(gè)類型在不同平臺(tái)上，大小可能不同，對(duì)齊邊界也可能不同。

為什么不統(tǒng)一使用平臺(tái)最大對(duì)齊邊界呢？或者統(tǒng)一按各類型大小來對(duì)齊呢？

我們來試一下，假設(shè)目前是64位平臺(tái)，最大對(duì)齊邊界為8字節(jié)。int8只有1字節(jié)，按照1字節(jié)對(duì)齊的話，它可以放在任何位置，因?yàn)榭偰芡ㄟ^一次讀取把它完整拿出來。如果統(tǒng)一對(duì)齊到8字節(jié)，雖然同樣只要讀取一次，但每個(gè)int8的變量都要浪費(fèi)7字節(jié)，所以對(duì)齊到1。

int16占2字節(jié)，按照2字節(jié)對(duì)齊，可以從這些地址開始存，而且能保證只用讀取一次。

如果按1字節(jié)對(duì)齊就可能存成這樣，那就要讀取兩次再截取拼接，會(huì)影響性能。

如果按8字節(jié)對(duì)齊，會(huì)與int8一樣浪費(fèi)內(nèi)存，所以對(duì)齊到2。

這是小于最大對(duì)齊邊界的情況，再來看看大于的情況。

假設(shè)要在32位的平臺(tái)下存儲(chǔ)一個(gè)int64類型的數(shù)據(jù)，在0和1位置被占用的情況下，就要從位置8開始存。而如果對(duì)齊到4，就可以從位置4開始，內(nèi)存浪費(fèi)更少，所以選擇對(duì)齊到4。

因此類型對(duì)齊邊界會(huì)這樣選擇，依然是為了減少浪費(fèi)提升性能。

GO 計(jì)算對(duì)齊邊界函數(shù)

在go語言中可以調(diào)用 unsafe.Alignof 來返回相應(yīng)類型的對(duì)齊邊界：

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{}))
}

運(yùn)行結(jié)果：

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

確定結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊邊界

對(duì)結(jié)構(gòu)體而言，首先要確定每個(gè)成員的對(duì)齊邊界，然后取其中最大的，這就是這個(gè)結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊邊界。

然后來存儲(chǔ)這個(gè)結(jié)構(gòu)體變量：

內(nèi)存對(duì)齊要求一：

• 存儲(chǔ)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的起始地址，是對(duì)齊邊界的倍數(shù)。

?假設(shè)從0開始存，結(jié)構(gòu)體的每個(gè)成員在存儲(chǔ)時(shí)，都要把這個(gè)起始地址當(dāng)作地址0，然后再用相對(duì)地址來決定自己該放在哪里。

內(nèi)存對(duì)齊要求2：

• 結(jié)構(gòu)體整體占用字節(jié)數(shù)需要是類型對(duì)齊邊界的倍數(shù)，不夠的話要往后擴(kuò)張一下。

?所以最終上述結(jié)構(gòu)體類型的大小就是24字節(jié)。

案例

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

type Part2 struct {
	a bool
	c int8
	e byte
	b int32 // 4個(gè)字節(jié)
	d int64
}

分別求以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)體占用的字節(jié)：

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))

這里我們直接調(diào)用函數(shù)求得：

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

原因請(qǐng)讀者來思考。

參考資料：
https://blog.csdn.net/u010853261/article/details/102557188
https://www.bilibili.com/video/BV1Ja4y1i7AF?from=search&seid=16213689667007976568&spm_id_from=333.337.0.0

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