什么是內(nèi)存對(duì)齊

在訪問(wèn)特定類型變量的時(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)：

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)：

golang中unsafe.AlignOf()函數(shù)

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

• 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(guò)內(nèi)存對(duì)齊后，就可以在保證在訪問(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。

eg：

type A struct {
	a int32
	b int64
	c int32
}

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

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(kāi)始，0可以被4整除：

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：

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：

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)：

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

type B struct {
	a int32
	b int32
	c int64
}

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

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(kāi)始，0可以被4整除：

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：

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：

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
}

參考：https://juejin.cn/post/7077833959047954463

到此這篇關(guān)于golang 內(nèi)存對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)golang 內(nèi)存對(duì)齊內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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