前言

前面有篇文章我們學(xué)習(xí)了 Go 語(yǔ)言空結(jié)構(gòu)體詳解，最近又在看 unsafe包的知識(shí)，在查閱相關(guān)資料時(shí)不免會(huì)看到內(nèi)存對(duì)齊相關(guān)的內(nèi)容，雖然感覺(jué)這類(lèi)知識(shí)比較底層，但是看到了卻不深究和渣男有什么區(qū)別？雖然我不會(huì)，但我可以學(xué)，那么這篇文章，我們就一起來(lái)看下什么是內(nèi)存對(duì)齊吧！

說(shuō)明：本文中的測(cè)試示例，均是基于Go1.17 64位機(jī)器

基礎(chǔ)知識(shí)

在Go語(yǔ)言中，我們可以通過(guò) unsafe.Sizeof(x) 來(lái)確定一個(gè)變量占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)（不包含 x 所指向的內(nèi)容的大?。?。

例如對(duì)于字符串?dāng)?shù)組，在64位機(jī)器上，unsafe.Sizeof() 返回的任意字符串?dāng)?shù)組大小為 24 字節(jié)，和其底層數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)：

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

對(duì)于Go語(yǔ)言的內(nèi)置類(lèi)型，占用內(nèi)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(gè)問(wèn)題

基于上面的理解，那么對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)說(shuō)，占用內(nèi)存大小就應(yīng)該等于多個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)型占用內(nèi)存大小的和，我們就結(jié)合幾個(gè)示例來(lái)看下：

type?Example?struct?{
?a?bool?//?1個(gè)字節(jié)
?b?int??//?8個(gè)字節(jié)
?c?string?//?16個(gè)字節(jié)
}

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

Example 結(jié)構(gòu)體的三個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)型，加起來(lái)一個(gè) 25字節(jié)，但是最終輸出的卻是 32字節(jié)。

我們?cè)倏磧蓚€(gè)結(jié)構(gòu)體，即使這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體包含的字段類(lèi)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(dǎo)致了上述問(wèn)題的呢，這就引出了我們要看的知識(shí)點(diǎn)：內(nèi)存對(duì)齊。

什么是內(nèi)存對(duì)齊

我們知道，在計(jì)算機(jī)中訪問(wèn)一個(gè)變量，需要訪問(wèn)它的內(nèi)存地址，從理論上講似乎對(duì)任何類(lèi)型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是：在訪問(wèn)特定類(lèi)型變量的時(shí)候通常在特定的內(nèi)存地址訪問(wèn)，這就需要對(duì)這些數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，各種類(lèi)型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。

內(nèi)存對(duì)齊是編譯器的管轄范圍。表現(xiàn)為：編譯器為程序中的每個(gè)“數(shù)據(jù)單元”安排在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?/p>

為什么需要內(nèi)存對(duì)齊

• 有些CPU可以訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)，而有些CPU只能在特定地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)，因此不同硬件平臺(tái)具有差異性，這樣的代碼就不具有移植性，如果在編譯時(shí)，將分配的內(nèi)存進(jìn)行對(duì)齊，這就具有平臺(tái)可以移植性了。
• CPU 訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)并不是逐個(gè)字節(jié)訪問(wèn)，而是以字長(zhǎng)（word size）為單位訪問(wèn)，例如 32位的CPU 字長(zhǎng)是4字節(jié)，64位的是8字節(jié)。如果變量的地址沒(méi)有對(duì)齊，可能需要多次訪問(wèn)才能完整讀取到變量?jī)?nèi)容，而對(duì)齊后可能就只需要一次內(nèi)存訪問(wèn)，因此內(nèi)存對(duì)齊可以減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，加大CPU訪問(wèn)內(nèi)存的吞吐量。

假設(shè)每次訪問(wèn)的步長(zhǎng)為4個(gè)字節(jié)，如果未經(jīng)過(guò)內(nèi)存對(duì)齊，獲取b的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行兩次內(nèi)存訪問(wèn)，最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)整理得到b的完整數(shù)據(jù)：

image-20220313230839425

如果經(jīng)過(guò)內(nèi)存對(duì)齊，一次內(nèi)存訪問(wèn)就能得到b的完整數(shù)據(jù)，減少了一次內(nèi)存訪問(wèn)：

image-20220313231143302

unsafe.AlignOf()

unsafe.AlignOf(x) 方法的返回值是 m，當(dāng)變量進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊時(shí)，需要保證分配到 x 的內(nèi)存地址能夠整除 m。因此可以通過(guò)這個(gè)方法，確定變量x 在內(nèi)存對(duì)齊時(shí)的地址：

• 對(duì)于任意類(lèi)型的變量 x ，unsafe.Alignof(x) 至少為 1。
• 對(duì)于 struct 結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的變量 x，計(jì)算 x 每一個(gè)字段 f 的 unsafe.Alignof(x.f)，unsafe.Alignof(x) 等于其中的最大值。
• 對(duì)于 array 數(shù)組類(lèi)型的變量 x，unsafe.Alignof(x) 等于構(gòu)成數(shù)組的元素類(lèi)型的對(duì)齊倍數(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)置基礎(chǔ)類(lèi)型變量 x ，unsafe.Alignof(x) 的返回值就是 min(字長(zhǎng)/8，unsafe.Sizeof(x))，即計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)與類(lèi)型占用內(nèi)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(nèi)存對(duì)齊規(guī)則

我們講內(nèi)存對(duì)齊，就是把變量放在特定的地址，那么如何計(jì)算特定地址呢，這就涉及到內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則：

成員對(duì)齊規(guī)則

針對(duì)一個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)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(dāng)前地址不能整除，填充空白字節(jié)，直至可以整除）。

整體對(duì)齊規(guī)則

針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體，如果 unsafe.AlignOf() 返回值是 m，需要保證該結(jié)構(gòu)體整體內(nèi)存占用是 m的整數(shù)倍，如果當(dāng)前不是整數(shù)倍，需要在后面填充空白字節(jié)。

通過(guò)內(nèi)存對(duì)齊后，就可以保證在訪問(wèn)一個(gè)變量地址時(shí)：

• 如果該變量占用內(nèi)存小于字長(zhǎng)：保證一次訪問(wèn)就能得到數(shù)據(jù)；
• 如果該變量占用內(nèi)存大于字長(zhǎng)：保證第一次內(nèi)存訪問(wèn)的首地址，是該變量的首地址。

舉個(gè)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(gè)字段是 int32 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內(nèi)存占用為4個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內(nèi)存對(duì)齊需保證變量首地址可以被4整除，我們假設(shè)地址從0開(kāi)始，0可以被4整除：

成員變量1內(nèi)存對(duì)齊

2.第二個(gè)字段是 int64 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int64(1)) = 8，內(nèi)存占用為 8 個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，需保證變量放置首地址可以被8整除，當(dāng)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(gè)空白字節(jié)，從8開(kāi)始放置：

成員變量2內(nèi)存對(duì)齊

3.第三個(gè)字段是 int32 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內(nèi)存占用為4個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內(nèi)存對(duì)齊需保證變量首地址可以被4整除，當(dāng)前地址為16，16可以被4整除：

成員變量3內(nèi)存對(duì)齊

4.所有成員對(duì)齊都已經(jīng)完成，現(xiàn)在我們需要看一下整體對(duì)齊規(guī)則：unsafe.Alignof(A{}) = 8，即三個(gè)變量成員的最大值，內(nèi)存對(duì)齊需要保證該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存占用是 8 的整數(shù)倍，當(dāng)前內(nèi)存占用是 20個(gè)字節(jié)，因此需要再補(bǔ)充4個(gè)字節(jié)：

整體對(duì)齊

5.最終該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存占用為 24字節(jié)。

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(gè)字段是 int32 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內(nèi)存占用為4個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內(nèi)存對(duì)齊需保證變量首地址可以被4整除，我們假設(shè)地址從0開(kāi)始，0可以被4整除：

成員變量1內(nèi)存對(duì)齊

2.第二個(gè)字段是 int32 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，內(nèi)存占用為4個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，內(nèi)存對(duì)齊需保證變量首地址可以被4整除，當(dāng)前地址為4，4可以被4整除：

成員變量2內(nèi)存對(duì)齊

3.第三個(gè)字段是 int64 類(lèi)型，unsafe.Sizeof(int64(1))=8，內(nèi)存占用為8個(gè)字節(jié)，同時(shí)unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，內(nèi)存對(duì)齊需保證變量首地址可以被8整除，當(dāng)前地址為8，8可以被8整除：

成員變量3內(nèi)存對(duì)齊

4.所有成員對(duì)齊都已經(jīng)完成，現(xiàn)在我們需要看一下整體對(duì)齊規(guī)則：unsafe.Alignof(B{}) = 8，即三個(gè)變量成員的最大值，內(nèi)存對(duì)齊需要保證該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存占用是 8 的整數(shù)倍，當(dāng)前內(nèi)存占用是 16個(gè)字節(jié)，已經(jīng)符合規(guī)則，最終該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存占用為 16個(gè)字節(jié)。

空結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊規(guī)則

如果空結(jié)構(gòu)體作為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)置字段：當(dāng)變量位于結(jié)構(gòu)體的前面和中間時(shí)，不會(huì)占用內(nèi)存；當(dāng)該變量位于結(jié)構(gòu)體的末尾位置時(shí)，需要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，內(nèi)存占用大小和前一個(gè)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(jié)

本篇文章我們一起學(xué)習(xí)了Go 語(yǔ)言中的內(nèi)存對(duì)齊，主要內(nèi)容如下：

• unsafe.Sizeof(x) 返回了變量x的內(nèi)存占用大小
• 兩個(gè)結(jié)構(gòu)體，即使包含變量類(lèi)型的數(shù)量相同，但是位置不同，占用的內(nèi)存大小也不同，由此引出了內(nèi)存對(duì)齊
• 內(nèi)存對(duì)齊包含成員對(duì)齊和整體對(duì)齊，與 unsafe.AlignOf(x) 息息相關(guān)
• 空結(jié)構(gòu)體作為成員變量時(shí)，是否占用內(nèi)存和所處位置有關(guān)
• 在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，我們可以通過(guò)調(diào)整變量位置，優(yōu)化內(nèi)存占用（一般按照變量?jī)?nèi)存大小順序排列，整體占用內(nèi)存更?。?/li>

以上就是詳解Go語(yǔ)言中的內(nèi)存對(duì)齊的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Go語(yǔ)言?xún)?nèi)存對(duì)齊的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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