Go内存对齐详解(go 内存对齐)

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前置知识

在《小许code：Go内存管理和分配策略》这篇分享中我们了解到Go是怎么对内存进行管理和分配的，那么用户的程序进程在linux系统中的内存布局是什么样的呢？我们先了解一下基础知识，然后再看Go的内存对齐。

进程内存空间布局

在Linux系统中，将虚拟内存划分为用户空间和内核空间，用户进程只能访问用户空间的虚拟地址，拿32位系统来说，进程内存布局在结构上是有规律的，如下图：

32位linux内核给每一个进程都分配4G大小的虚拟地址空间，有3G的用户态和1G的内核态，用户态主要存放我们应用程序定义的指令或者数据，局部变量存在于栈上,随着函数的运行，栈上开辟了内存，函数运行完成，栈上内存自动被系统回收。

CPU

CPU是计算机的核心，决定了计算机的数据处理能力和寻址能力。CPU一次（一个时钟内）能处理的数据的大小由寄存器的位数和数据总线的宽度（也即有多少根数据总线）决定，我们通常所说的多少位的CPU，除了可以理解为寄存器的位数，也可以理解数据总线的宽度，通常情况下它们是相等的。顺便也了解下以下总线的概念

数据总线：决定了CPU单次的数据处理能力，用于在CPU和内存之间传输数据位于主板之上，不在CPU中

地址总线：用于在内存上定位数据，指定在 RAM（Random Access Memory）之中储存的数据的地址

控制总线：传送控制信号和时序信号，将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备

CPU访问内存方式

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，提升 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，同理64位CPU下，默认以8字节对齐。因为CPU对内存的读取操作是对齐的，采用不对齐的存储方式，会导致为了读取一个数据CPU要访问两次内存。

内存对齐

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

为什么要内存对齐？

(1) 平台原因：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

(2) 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问，提高了寻址效率。

(3) 空间原因：没有进行内存对齐的结构体或类会浪费一定的空间，当创建对象越多时，消耗的空间越多。

举个栗子看下内存对齐对寻址效率的提升：

图中变量 A占据 4 字节的空间，变量B占据8字节空间，内存对齐后，CPU 读取变量 B 的值只需要进行一次内存访问。如果不进行内存对齐，CPU 读取变量B的值需要进行 2 次内存访问。第一次访问得到B的第4-7位置4 个字节，第二次访问得到变量B的8-11位置后4个字节。

内存对齐规则

1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2.其他成员变量要对齐到对齐数（编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值）的整数倍的地址处。

3.结构体总大小为最大对齐数（除了第一个成员每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

浅谈Go内存对齐

unsafe.Alignof

// 基础库 unsafe包
func Alignof(v ArbitraryType) uintptr

Alignof返回类型v的对齐方式（即类型v在内存中占用的字节数）,若是结构体类型的字段的形式，它会返回字段f在该结构体中的对齐方式。

unsafe.Sizeof

// 基础库 unsafe包
func Sizeof(v ArbitraryType) uintptr

Sizeof返回类型v本身数据所占用的字节数。返回值是“顶层”的数据占有的字节数。例如，若v是一个切片，它会返回该切片描述符的大小，而非该切片底层引用的内存的大小

Go常用数据类型说明

在对Go内存对齐进行加深了解之前，我们先回归下基础，看看不同类型的对齐系数和占用字节数，array比较特殊，它跟类型和数组长度有关，可以看出所有类型的对齐系数不会大于8（64位系统）。

 var i1 = 1
 var i2 int32 = 1
 var b1 = false
 var map1 = make(map[string]int)
 var ch1 = make(chan string)
 var inter1 interface{}
 var str = ""
 a1 := [2]string{"1", "2"}
 s2 := []int{1}

 fmt.Println("int 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(i1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(i1))  
 fmt.Println("int32 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(i2), "对齐系数：", unsafe.Alignof(i2))                
 fmt.Println("string 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(str), "对齐系数：", unsafe.Alignof(str))          
 fmt.Println("bool 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(b1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(b1))              
 fmt.Println("map 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(map1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(map1))          
 fmt.Println("chan 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(ch1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(ch1))            
 fmt.Println("interface 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(inter1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(inter1)) 
 //(注：数组元素类型的变量的对齐系数决定 所占用的字节数 = 数组长度 * 数据类型占字节数 )
 fmt.Println("array 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(a1), "对齐系数：", unsafe.Alignof(a1)) 
 fmt.Println("slice 类型：占用字节数", unsafe.Sizeof(s2), "对齐系数：", unsafe.Alignof(s2)) 

 输出结果：
 int 类型：占用字节数 8 对齐系数： 8
 int32 类型：占用字节数 4 对齐系数： 4
 string 类型：占用字节数 16 对齐系数： 8
 bool 类型：占用字节数 1 对齐系数： 1
 map 类型：占用字节数 8 对齐系数： 8
 chan 类型：占用字节数 8 对齐系数： 8
 interface 类型：占用字节数 16 对齐系数： 8
 array 类型：占用字节数 32 对齐系数： 8
 slice 类型：占用字节数 24 对齐系数： 8

我们用个简单的图来归纳更一目了然（哈哈，我比较喜欢图）

举个栗子

这里举例跟大家一样都是使用结构体进行举例说明，相对会更形象，但是其他数据类型也都是要内存对齐的，本例将用Coder1和Coder2两个结构体来看内存对齐的影响。

// 64位操作系统 对齐系数 8
type Coder1 struct {
 Age   int32  
 Name  string 
 GoPer bool   
}
fmt.Println("所占字节size", unsafe.Sizeof(Coder{ Age: 18,  Name: "xiaoxu", GoPer: true})) 
//输出结构：所占字节size：32

Coder1内存布局图

通过前面对不同类型的占用字节数和对齐系数的了解，根据对齐规则，我们Coder1结构体的三个字段逐个来看，结合Coder1的内存布局图进行分析。

Age：类型是 int32，对齐系数 4，占用4字节，放在图中 0-3绿色部分位置

Name：类型是string，对齐系数8，占用16字节，所以4-7位会被编译器填充，所以Name字段在8-22黄色位置

GoPer：类型是bool，对齐系数1，占用1字节，所以在24位紫色位置，而25-31蓝色部分会被填充

满足结构体对齐规则，也是对齐数的整数倍。

再来看看变量顺序是经过排序的Coder2，看看内存对齐带来的影响

// 64位操作系统 对齐系数 8
type Coder1 struct {
 GoPer bool  
 Age   int32 
 Name  string 
}
fmt.Println("所占字节size", unsafe.Sizeof(Coder{GoPer: true, Age: 18,  Name: "xiaoxu"})) 
//输出结构：所占字节size：24

Coder2内存布局图

Coder2内存布局图分析：

GoPer：类型是bool，对齐系数1，占用1字节，所以在1位紫色位置

Age：类型是 int32，对齐系数 4，占用4字节，放在图中 1-4绿色部分位置，因为Age占4字节，所以GoPer字段后不会被填充

Name：类型是string，对齐系数8，占用16字节，所以5-7位会被编译器填充，所以Name字段在8-23黄色位置

空结构体字段对齐规则

如果空结构体作为结构体的内置字段：当变量位于结构体的前面和中间时，不会占用内存；当该变量位于结构体的末尾位置时，需要进行内存对齐，内存占用大小和前一个变量的大小保持一致。

type Demo1 struct {
 a struct{}
 b int64
 c int64
}

type Demo2 struct {
 a int64
 b struct{}
 c int64
}

type Demo3 struct {
 a int64
 b int64
 c struct{}
}

func main() {
 fmt.Println("Demo1：占用字节数",unsafe.Sizeof(Demo1{})) // 16
 fmt.Println("Demo2：占用字节数",unsafe.Sizeof(Demo2{})) // 16
 fmt.Println("Demo3：占用字节数",unsafe.Sizeof(Demo3{})) // 24
}

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