【Golang】内存对齐

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1. 先看一个问题

请思考30秒想想以下代码输出的内容是多少？

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

type S1 struct {
    A byte
    B int64
    C byte
}
type S2 struct {
    A byte
    C byte
    B int64
}
func main() {
    s1 := S1{}
    fmt.Printf("S1.A size: %d\n", unsafe.Sizeof(s1.A))
    fmt.Printf("S1.B size: %d\n", unsafe.Sizeof(s1.B))
    fmt.Printf("S1.C size: %d\n", unsafe.Sizeof(s1.C))
    fmt.Printf("S1   size: %d\n\n", unsafe.Sizeof(s1))

    s2 := S2{}
    fmt.Printf("S2.A size: %d\n", unsafe.Sizeof(s2.A))
    fmt.Printf("S2.B size: %d\n", unsafe.Sizeof(s2.B))
    fmt.Printf("S2.C size: %d\n", unsafe.Sizeof(s2.C))
    fmt.Printf("S2   size: %d\n", unsafe.Sizeof(s2))
}

执行后代码输出:

S1.A size: 1
S1.B size: 8
S1.C size: 1
S1   size: 24

S2.A size: 1
S2.B size: 8
S2.C size: 1
S2   size: 16

你或许会疑问，为什么S1和S2所占存储空间不仅不是A、B、C总和10而且S1和S2所占空间也各不一样？问题的关键就在于"内存对齐"。

2. 什么是内存对齐？

在计算机中，CPU通过特定的指令从内存中读取数据，由于CPU访问内存已得到数据的时间要比执行指令花费的时间多得多，因此在CPU内部提供了一些通用寄存器用来暂存从内存中加载到的数据，CPU一次读取的数据量为一个字，字的位数我们称之为字长，因此字长的大小直接决定了CPU一次能处理的数据量的大小；一般情况下，字长越大，CPU性能越高，我们熟知的64位计算机就表示CPU一次能处理的数据量为64位即8字节。
因此，所谓内存对齐就是计算机将内存中的数据按照一个字的长度（即:CPU数据处理单位）进行对齐，保证CPU以高效的方式精确读取到所需要的数据。

3. 为什么要内存对齐？

3.1 提高性能

如果CPU不按照块(字)去读取数据，而是按照字节去读取数据，那么CPU读取一个int64值就需要读取8次，效率很低，所以最终CPU被设计一次读取一个字长的数据，内存的基本存储结构如下:

如果不进行内存对齐的话，一个int64在内存中的存储位置很可能像下面这样:

image.png

这样的话，CPU就需要读取两次才能完成这个int64值的读取操作，而进行内存对齐后，保证每个变量的值都存储在整数倍机器字长的内存地址上，最小化CPU内存读取次数，提高效率。

3.2 避免出错

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，出现错误。

4. 问题解答

了解内存对齐后，我们再看文章开始我们说道的那题，在我的64位计算机环境中，S1和S2在内存中的大致位置如下图所示：

所以，最后S1所占的内存空间为24字节，S2所占空间为16字节。