Go語言中的內(nèi)存布局詳解
一、go語言內(nèi)存布局
想象一下，你有一個(gè)如下的結(jié)構(gòu)體。
type MyData struct {
aByte byte
aShort int16
anInt32 int32
aSlice []byte
}
那么這個(gè)結(jié)構(gòu)體究竟是什么呢？ 從根本上說，它描述了如何在內(nèi)存中布局?jǐn)?shù)據(jù)。 這是什么意思？編譯器又是如何展現(xiàn)出來呢？ 我們來看一下。 首先讓我們使用反射來檢查結(jié)構(gòu)中的字段。
二、反射之上
下面是一些使用反射來找出字段大小及其偏移量（它們相對于結(jié)構(gòu)的開始位于內(nèi)存中的位置）的代碼。 反射可以告訴我們編譯器是怎么看待類型（包括結(jié)構(gòu)）的。
// First ask Go to give us some information about the MyData type
typ := reflect.TypeOf(MyData{})
fmt.Printf("Struct is %d bytes long\n", typ.Size())
// We can run through the fields in the structure in order
n := typ.NumField()
for i := 0; i < n; i++ {
field := typ.Field(i)
fmt.Printf("%s at offset %v, size=%d, align=%d\n",
field.Name, field.Offset, field.Type.Size(),
field.Type.Align())
}
除了每個(gè)字段的偏移和大小，我還打印了每個(gè)字段的對齊方式，我稍后會(huì)解釋。結(jié)果如下：
Struct is 32 bytes long
aByte at offset 0, size=1, align=1
aShort at offset 2, size=2, align=2
anInt32 at offset 4, size=4, align=4
aSlice at offset 8, size=24, align=8
aByte是我們結(jié)構(gòu)體中的第一個(gè)字段，偏移量為0.它使用1字節(jié)的內(nèi)存。
aShort是第二個(gè)字段。它使用2字節(jié)的內(nèi)存。奇怪的是偏移量是2。這是為什么呢？答案是對齊， CPU更好地訪問位于2字節(jié)（“2字節(jié)邊界”）的倍數(shù)的地址處的2個(gè)字節(jié)，并訪問位于4字節(jié)邊界上的4個(gè)字節(jié)，直到CPU的自然整數(shù)大小，在現(xiàn)代CPU上是8字節(jié)（64位）。
在一些較舊的RISC CPU訪問錯(cuò)誤對齊的數(shù)字引起一個(gè)故障：在一些UNIX系統(tǒng)上，這將是一個(gè)SIGBUS，它會(huì)停止你的程序（或內(nèi)核）。一些系統(tǒng)能夠處理這些錯(cuò)誤并修復(fù)錯(cuò)誤：您的代碼將運(yùn)行，但會(huì)緩慢的運(yùn)行，因?yàn)轭~外的代碼將由操作系統(tǒng)運(yùn)行以修復(fù)錯(cuò)誤。我相信英特爾和ARM的CPU也只是處理芯片上的任何不對齊：也許我們將在以后的文章中測試這一點(diǎn)，以及任何性能的影響。
無論如何，對齊是Go編譯器跳過一個(gè)字節(jié)放置字段aShort以便它位于2字節(jié)邊界的原因。因?yàn)檫@樣，我們可以將另一個(gè)字段放進(jìn)結(jié)構(gòu)體中，而不使它占用更大內(nèi)存。這里是我們的結(jié)構(gòu)的新版本，在aByte之后立即有一個(gè)新字段anotherByte。
type MyData struct {
aByte byte
anotherByte byte
aShort int16
anInt32 int32
aSlice []byte
}
我們再次運(yùn)行反射代碼，可以看到anotherByte正好在aByte和aShort之間的空閑空間。 它坐落在偏移1，aShort仍然在偏移2.現(xiàn)在可能是時(shí)候注意我之前提到的那個(gè)神秘對齊字段。 它告訴我們和Go編譯器，這個(gè)字段需要如何對齊。
Struct is 32 bytes long
aByte at offset 0, size=1, align=1
anotherByte at offset 1, size=1, align=1
aShort at offset 2, size=2, align=2
anInt32 at offset 4, size=4, align=4
aSlice at offset 8, size=24, align=8
三、看看內(nèi)存
然而我們的結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中到底是什么樣子？ 讓我們看看我們能不能找到答案。 首先讓我們構(gòu)建一個(gè)MyData實(shí)例，并填充一些值。我選擇了應(yīng)該容易在內(nèi)存中找到的值。
data := MyData{
aByte: 0x1,
aShort: 0x0203,
anInt32: 0x04050607,
aSlice: []byte{
0x08, 0x09, 0x0a,
},
}
現(xiàn)在一些代碼訪問組成這個(gè)結(jié)構(gòu)的字節(jié)。 我們想要獲取這個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)例，在內(nèi)存中找到它的地址，并打印出該內(nèi)存中的字節(jié)。
我們使用unsafe包來幫助我們這樣做。 這讓我們繞過Go類型系統(tǒng)將指向我們的結(jié)構(gòu)的指針轉(zhuǎn)換為32字節(jié)數(shù)組，這個(gè)數(shù)組就是組成我們的結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存數(shù)據(jù)。
dataBytes := (*[32]byte)(unsafe.Pointer(&data))
fmt.Printf("Bytes are %#v\n", dataBytes)
我們運(yùn)行以上代碼。 這是結(jié)果，第一個(gè)字段，aByte，從我們的結(jié)構(gòu)中以粗體顯示。 這是希望你期望的，單字節(jié)aByte = 0x01在偏移0。
Bytes are &[32]uint8{**0x1**, 0x0, 0x3, 0x2, 0x7, 0x6, 0x5, 0x4, 0x5a, 0x5, 0x1, 0x20, 0xc4, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}
接下來我們來看看AShort。 這是在偏移量2的位置并且長度為2.如果你記得，aShort = 0x0203，但數(shù)據(jù)顯示的字節(jié)是倒序。 這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代CPU都是Little-Endian：該值的最低位字節(jié)首先出現(xiàn)在內(nèi)存中。
Bytes are &[32]uint8{0x1, 0x0, **0x3, 0x2**, 0x7, 0x6, 0x5, 0x4, 0x5a, 0x5, 0x1, 0x20, 0xc4, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}
同樣的事情發(fā)生在Int32 = 0x04050607。 最低位字節(jié)首先出現(xiàn)在內(nèi)存中。
Bytes are &[32]uint8{0x1, 0x0, 0x3, 0x2, **0x7, 0x6, 0x5, 0x4**, 0x5a, 0x5, 0x1, 0x20, 0xc4, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}
四、神秘的插曲
現(xiàn)在我們看到什么？ 這是aSlice = [] byte {0x08，0x09，0x0a} ，在偏移量8的24個(gè)字節(jié)。我沒有看到我的序列0x08，0x09，0x0a的任何地方的任何符號(hào)。 這是怎么回事？
Bytes are &[32]uint8{0x1, 0x0, 0x3, 0x2, 0x7, 0x6, 0x5, 0x4, **0x5a, 0x5, 0x1, 0x20, 0xc4, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0**, **0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0**}
Go反射包里自有答案。 slice在Go語言中由以下結(jié)構(gòu)體表示，該結(jié)構(gòu)從指針數(shù)據(jù)開始，該數(shù)據(jù)指向保存切片中的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器; 然后是該存儲(chǔ)器中的有用數(shù)據(jù)的長度Len，以及該存儲(chǔ)器的大小Cap。
type SliceHeader struct {
Data uintptr
Len int
Cap int
}
如果把它提供給我們的代碼，我們得到以下偏移和大小。 數(shù)據(jù)指針和兩個(gè)長度各為8個(gè)字節(jié)，具有8個(gè)字節(jié)對齊。
Struct is 24 bytes long
Data at offset 0, size=8, align=8
Len at offset 8, size=8, align=8
Cap at offset 16, size=8, align=8
如果我們再看一下后面的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，我們可以看到數(shù)據(jù)是在地址0x000000c42001055a。 之后，我們看到Len和Cap都是3，這是我們的數(shù)據(jù)的長度。
Bytes are &[32]uint8{0x1, 0x0, 0x3, 0x2, 0x7, 0x6, 0x5, 0x4, **0x5a, 0x5, 0x1, 0x20, 0xc4, 0x0, 0x0, 0x0**, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x3, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}
我們可以直接用以下代碼訪問這些數(shù)據(jù)字節(jié)。 首先讓我們直接訪問slice頭，然后打印出數(shù)據(jù)指向的內(nèi)存。
dataslice := *(*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&data.aSlice))
fmt.Printf("Slice data is %#v\n",
(*[3]byte)(unsafe.Pointer(dataslice.Data)))
這是輸出：
Slice data is &[3]uint8{0x8, 0x9, 0xa}
總結(jié)
以上就是關(guān)于Go語言內(nèi)存布局的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家學(xué)習(xí)或者使用Go語言能有所幫助，如果有疑問大家可以留言交流。
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