第詳解Go語言中的內(nèi)存對(duì)齊目錄前言基礎(chǔ)知識(shí)看個(gè)問題什么是內(nèi)存對(duì)齊為什么需要內(nèi)存對(duì)齊unsafe.AlignOf()內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則舉個(gè)例子空結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊規(guī)則總結(jié)

前言

前面有篇文章我們學(xué)習(xí)了Go語言空結(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，雖然感覺這類知識(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，我們就一起來看下什么是內(nèi)存對(duì)齊吧！

說明：本文中的測(cè)試示例，均是基于Go1.1764位機(jī)器

基礎(chǔ)知識(shí)

在Go語言中，我們可以通過unsafe.Sizeof(x)來確定一個(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?。?/p>

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語言的內(nèi)置類型，占用內(nèi)存大小如下：

類型字節(jié)數(shù)bool1個(gè)字節(jié)intN,uintN,floatN,complexNN/8個(gè)字節(jié)（int32是4個(gè)字節(jié)）int,uint,uintptr計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)/8(64位是8個(gè)字節(jié))*T,map,func,chan計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)/8(64位是8個(gè)字節(jié))string（data、len）2*計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)/8(64位是16個(gè)字節(jié))interface(tab、data或_type、data)2*計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)/8(64位是16個(gè)字節(jié))[]T(array、len、cap)3*計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)/8(64位是24個(gè)字節(jié))

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)問題

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

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)類型，加起來一個(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)中訪問一個(gè)變量，需要訪問它的內(nèi)存地址，從理論上講似乎對(duì)任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實(shí)際情況是：在訪問特定類型變量的時(shí)候通常在特定的內(nèi)存地址訪問，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訪問內(nèi)存時(shí)并不是逐個(gè)字節(jié)訪問，而是以字長(zhǎng)（wordsize）為單位訪問，例如32位的CPU字長(zhǎng)是4字節(jié)，64位的是8字節(jié)。如果變量的地址沒有對(duì)齊，可能需要多次訪問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，因此內(nèi)存對(duì)齊可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，加大CPU訪問內(nèi)存的吞吐量。

假設(shè)每次訪問的步長(zhǎng)為4個(gè)字節(jié)，如果未經(jīng)過內(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，最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)整理得到b的完整數(shù)據(jù)：

image-20250313230839425

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

image-20250313231143302

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)于任意類型的變量x，unsafe.Alignof(x)至少為1。對(duì)于struct結(jié)構(gòu)體類型的變量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)組類型的變量x，unsafe.Alignof(x)等于構(gòu)成數(shù)組的元素類型的對(duì)齊倍數(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)置基礎(chǔ)類型變量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)。

通過內(nèi)存對(duì)齊后，就可以保證在訪問一個(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開始放置：

成員變量2內(nèi)存對(duì)齊

3.第三個(gè)字段是int32類型，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)