Go语言内存对齐详解

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前言

前面有篇文章我们学习了 Go语言空结构体，最近又在看 unsafe包的知识，在查阅相关资料时不免会看到内存对齐相关的内容，虽然感觉这类知识比较底层，但是看到了却不深究和渣男有什么区别？虽然我不会，但我可以学🐶，那么这篇文章，我们就一起来看下什么是内存对齐吧！

说明：本文中的测试示例，均是基于Go1.17 64位机器

基础知识

unsafe.Sizeof(x)

例如对于字符串数组，在64位机器上，unsafe.Sizeof() 返回的任意字符串数组大小为 24 字节，和其底层数据无关：

func main() {
	s := []string{"1", "2", "3"}
	s2 := []string{"1"}
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(s))  // 24
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(s2)) // 24
}
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对于Go语言的内置类型，占用内存大小如下：

类型	字节数
bool	1个字节
intN, uintN, floatN, complexN	N/8 个字节（int32 是 4 个字节）
int, uint, uintptr	计算机字长/8 (64位是 8 个字节)
*T, map, func, chan	计算机字长/8 (64位是 8 个字节)
string （data、len）	2 * 计算机字长/8 (64位是 16 个字节)
interface (tab、data 或 _type、data)	2 * 计算机字长/8 (64位是 16 个字节)
[]T (array、len、cap)	3 * 计算机字长/8 (64位是 24 个字节)

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
}
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看个问题

基于上面的理解，那么对于一个结构体来说，占用内存大小就应该等于多个基础类型占用内存大小的和，我们就结合几个示例来看下：

type Example struct {
	a bool // 1个字节
	b int	 // 8个字节
	c string // 16个字节
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(Example{})) // 32
}
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25字节32字节

即使这两个结构体包含的字段类型一致，但是顺序不一致，最终输出的大小也不一样

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
}
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是什么导致了上述问题的呢，这就引出了我们要看的知识点：内存对齐。

什么是内存对齐

特定类型变量特定的内存地址

内存对齐是编译器的管辖范围。表现为：编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

为什么需要内存对齐

CPUCPUCPU减少CPU访问内存的次数，加大CPU访问内存的吞吐量

假设每次访问的步长为4个字节，如果未经过内存对齐，获取b的数据需要进行两次内存访问，最后再进行数据整理得到b的完整数据：

如果经过内存对齐，一次内存访问就能得到b的完整数据，减少了一次内存访问：

unsafe.AlignOf()

unsafe.Alignof(x)unsafe.Alignof(x.f)unsafe.Alignof(x)unsafe.Alignof(x)

unsafe.Alignof(x)min(字长/8，unsafe.Sizeof(x))

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)
}  
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内存对齐规则

我们讲内存对齐，就是把变量放在特定的地址，那么如何计算特定地址呢，这就涉及到内存对齐规则：

成员对齐规则

unsafe.AlignOf()被m整除

整体对齐规则

unsafe.AlignOf()m的整数倍

通过内存对齐后，就可以在保证在访问一个变量地址时：

如果该变量占用内存小于字长：保证一次访问就能得到数据；
如果该变量占用内存大于字长：保证第一次内存访问的首地址，是该变量的首地址。

举个例子

例1：

type A struct {
	a int32
	b int64
	c int32
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{1, 1, 1}))  // 24
}
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第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：

成员变量1内存对齐

第二个字段是 int64 类型，unsafe.Sizeof(int64(1)) = 8，内存占用为 8 个字节，同时unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，需保证变量放置首地址可以被8整除，当前地址为4，距离4最近的且可以被8整除的地址为8，因此需要添加四个空白字节，从8开始放置：

成员变量2内存对齐

第三个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，当前地址为16，16可以被4整除：

成员变量3内存对齐

所有成员对齐都已经完成，现在我们需要看一下整体对齐规则：unsafe.Alignof(A{}) = 8，即三个变量成员的最大值，内存对齐需要保证该结构体的内存占用是 8 的整数倍，当前内存占用是 20个字节，因此需要再补充4个字节：

整体对齐

最终该结构体的内存占用为 24字节。

例二：

type B struct {
	a int32
	b int32
	c int64
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{1, 1, 1}))  // 16
}
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第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：