golang内存对齐

为什么要内存对齐？

CPU访问内存时，以CPU的位数为单位进行访问。
如果访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问，对齐的内存的访问可能仅需要一次，利用内存对齐后提升读取速度。
golang结构体内存对齐规则
在代码编译阶段，编译器会对数据的存储布局进行对齐优化。
对于golang结构体来说，在编译后，就已经确定好了结构体的大小以及各成员相对首部的偏移量。
如下两个结构体T1和T2，成员变量相同，但是成员位置不同

type T1 struct {
   a int8
   b int64
   c int16
}

type T2 struct {
   a int8
   c int16
   b int64
}

func TestAlign(t *testing.T) {
   var u1 T1
   var u2 T2
   println(unsafe.Sizeof(u1)) // 24
   println(unsafe.Sizeof(u2)) // 16
}

打印内存地址

u1->a的地址 0xc0002d7e40 // 占用一个字节
u1->b的地址 0xc0002d7e48 // 占用两个字节，前面填充一个字节
u1->c的地址 0xc0002d7e50 // 占用八个字节，前面填充四个字节

u2->a的地址 0xc0002d7e30 // 占用一个字节
u2->c的地址 0xc0002d7e32 // 占用两个字节，前面填充一个字节
u2->b的地址 0xc0002d7e38 // 占用八个字节，前面填充四个字节

在64位机器上执行，T2的结构体内存对齐为如下所示：

规则

结构成员需要对齐

第一个的成员相对于结构体首地址的offset = 0
非第一个成员相对于结构体首地址的 offset = min(该成员大小, 对齐值)*N倍
如有需要，编译器会在成员间加上填充字节

结构体间需要对齐

结构体的长度 = 成员中最大对齐值 * M倍

示例

bool大小占用1B，对齐值为1B
int32大小占用4B，对齐值为4B
int64大小占用8B，对齐值为8B
string大小占用16B，对齐值为8B
complex128大小占用16B，对齐值为8B

// 结构体的总大小为：max(1, 8, 1) * 4 = 32
type T1 struct {
   a bool         // 0xc000042750，offset=0，占用1字节
   b complex128   // 0xc000042758，offset=min(16，8)*1 = 8，占用16字节
   c bool         // 0xc000042768，offset=min(1，1)*24 = 24，占用1字节
}

// 结构体的总大小为：max(8, 1) * 3 = 24
type T2 struct {
   a complex128   // offset=0，占用16字节
   b bool         // offset=min(1，1)*16 = 16，占用1字节
}

// 结构体的总大小为：max(1, 2) * 2 = 4
type T3 struct {
   a bool         // offset=0，占用1字节
   b int16        // offset=min(2,2)*1 = 2，占用2字节
}

特殊字段的内存对齐

空结构体被广泛作为各种场景下的占位符使用。一是节省资源（比如利用map实现set），二是空结构体本身就具备很强的语义。

type T1 struct {
   a struct{}
   b bool
}

type T2 struct {
   a bool
   b struct{}
}

func main() {
   var u1 T1
   println(unsafe.Sizeof(u1))   // 1
   println("u1->a的地址", &u1.a) // 0xc00004276d
   println("u1->b的地址", &u1.b) // 0xc00004276d

   var u2 T2
   println(unsafe.Sizeof(u2))   // 2
   println("u2->a的地址", &u2.a) // 0xc00004276e
   println("u2->b的地址", &u2.b) // 0xc00004276f
}

空结构体字段放最后会额外占用1B内存，放在非最后位置不占用内存。
原因：
当空结构体字段定义到最后时，因为如果有指针指向该字段，返回的地址将在结构体之外，如果此指针一直存活不释放对应的内存，就会有内存泄露的问题（该内存不因结构体释放而释放）。

Hot path

hot path 是指执行非常频繁的指令序列。
访问结构体的第一个字段时，可以直接使用结构体的指针来访问第一个字段。
访问结构体的其他字段，除了结构体指针外，还需要计算偏移量。
在机器码中，偏移量是随指令传递的附加值，带上偏移量的指令序列会更长。同时CPU 还需要做一次偏移量与指针的加法运算，才能获取要访问的值的实际地址。
因此，访问第一个字段与访问其它字段相比，机器代码会更紧凑（长度短），执行速度也会更快（没有指针与偏移量的加法运算）。

示例

// sync.once中，官方解释可见英文，done使用很频繁，所以被放在结构体第一位

type Once struct {
    // done indicates whether the action has been performed.
    // It is first in the struct because it is used in the hot path.
    // The hot path is inlined at every call site.
    // Placing done first allows more compact instructions on some architectures (amd64/x86),
    // and fewer instructions (to calculate offset) on other architectures.
    done uint32
    m    Mutex
}

总结

• 定义结构体时可以把类型相同的字段定义放一块，同时按照占用空间从小到大(或者从大到小)的顺序定义字段。
• 结构体内嵌套空结构体时，不要放在最后一位。
• 定义结构体时，可以考虑把常使用的字段放在第一位。