1、如何计算结构体占用的空间

unsafe.Sizeof
package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type Args struct {
    num1 int
    num2 int
}

type Flag struct {
    num1 int16
    num2 int32
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(Args{}))
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(Flag{}))
}

运行上面的例子将会输出：

$ go run main.go
16
8

ArgsArgsFlagunsafe.Sizeof

因此，一个结构体实例所占据的空间等于各字段占据空间之和，再加上内存对齐的空间大小。

2 内存对齐

2.1 为什么需要内存对齐

CPU 访问内存时，并不是逐个字节访问，而是以字长（word size）为单位访问。比如 32 位的 CPU ，字长为 4 字节，那么 CPU 访问内存的单位也是 4 字节。

这么设计的目的，是减少 CPU 访问内存的次数，加大 CPU 访问内存的吞吐量。比如同样读取 8 个字节的数据，一次读取 4 个字节那么只需要读取 2 次。

CPU 始终以字长访问内存，如果不进行内存对齐，很可能增加 CPU 访问内存的次数，例如：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yM6Rlel0-1658150736781)(memory_alignment.png)]

变量 a、b 各占据 3 字节的空间，内存对齐后，a、b 占据 4 字节空间，CPU 读取 b 变量的值只需要进行一次内存访问。如果不进行内存对齐，CPU 读取 b 变量的值需要进行 2 次内存访问。第一次访问得到 b 变量的第 1 个字节，第二次访问得到 b 变量的后两个字节。

从这个例子中也可以看到，内存对齐对实现变量的原子性操作也是有好处的，每次内存访问是原子的，如果变量的大小不超过字长，那么内存对齐后，对该变量的访问就是原子的，这个特性在并发场景下至关重要。

简言之：合理的内存对齐可以提高内存读写的性能，并且便于实现变量操作的原子性。

2.1 unsafe.Alignof

Flag{}
unsafeAlignof
unsafe.Alignof(Args{}) // 8
unsafe.Alignof(Flag{}) // 4

Args{}Args{}Flag{}Flag{}

2.2 对齐保证(align guarantee)

unsafe.Alignof
  1. For a variable x of any type: unsafe.Alignof(x) is at least 1.
  2. For a variable x of struct type: unsafe.Alignof(x) is the largest of all the values unsafe.Alignof(x.f) for each field f of x, but at least 1.
  3. For a variable x of array type: unsafe.Alignof(x) is the same as the alignment of a variable of the array’s element type.
unsafe.Alignof(x)unsafe.Alignof(x.f)unsafe.Alignof(x)unsafe.Alignof(x)

A struct or array type has size zero if it contains no fields (or elements, respectively) that have a size greater than zero. Two distinct zero-size variables may have the same address in memory.

没有任何字段的空 struct{} 和没有任何元素的 array 占据的内存空间大小为 0，不同的大小为 0 的变量可能指向同一块地址。

3 struct 内存对齐的技巧

3.1 合理布局减少内存占用

a int8b int16c int64
type demo1 struct {
	a int8
	b int16
	c int32
}

type demo2 struct {
	a int8
	c int32
	b int16
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo1{})) // 8
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo2{})) // 12
}

答案是会产生影响。每个字段按照自身的对齐倍数来确定在内存中的偏移量，字段排列顺序不同，上一个字段因偏移而浪费的大小也不同。

接下来逐个分析，首先是 demo1：

  • a 是第一个字段，默认是已经对齐的，从第 0 个位置开始占据 1 字节。
  • b 是第二个字段，对齐倍数为 2，因此，必须空出 1 个字节，偏移量才是 2 的倍数，从第 2 个位置开始占据 2 字节。
  • c 是第三个字段，对齐倍数为 4，此时，内存已经是对齐的，从第 4 个位置开始占据 4 字节即可。

因此 demo1 的内存占用为 8 字节。

其实是 demo2：

  • a 是第一个字段，默认是已经对齐的，从第 0 个位置开始占据 1 字节。
  • c 是第二个字段，对齐倍数为 4，因此，必须空出 3 个字节，偏移量才是 4 的倍数，从第 4 个位置开始占据 4 字节。
  • b 是第三个字段，对齐倍数为 2，从第 8 个位置开始占据 2 字节。

demo2 的对齐倍数由 c 的对齐倍数决定，也是 4，因此，demo2 的内存占用为 12 字节。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Ye9gWDiL-1658150736783)(memory_alignment_order.png)]

因此，在对内存特别敏感的结构体的设计上，我们可以通过调整字段的顺序，减少内存的占用。

3.2 空 struct{} 的对齐

struct{}struct{}
struct{}
type demo3 struct {
	c int32
	a struct{}
}

type demo4 struct {
	a struct{}
	c int32
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo3{})) // 8
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo4{})) // 4
}

demo4{}demo3{}