golang 内存对齐和填充规则

内存对齐和填充规则

1. 对齐要求：每个数据类型的起始地址必须是其大小的倍数。

   • int8（1字节）：不需要对齐。
   • int16（2字节）：起始地址必须是2的倍数。
   • int32（4字节）：起始地址必须是4的倍数。
   • int64（8字节）：起始地址必须是8的倍数。

2. 填充规则：如果当前偏移量不是下一个成员变量对齐要求的倍数，则编译器会在前一个成员后插入“填充字节”，以使下一个成员的起始地址满足对齐要求。

3. 结构体总大小：结构体的总大小必须是其最大成员对齐大小的倍数，必要时会在结构体末尾添加额外的填充字节。

示例解析

示例 1：未优化的结构体

type Unoptimized struct {
    a int8   // 1 byte
    b int32  // 4 bytes, 需要4字节对齐
    c int16  // 2 bytes, 需要2字节对齐
}

• a 占用 1 字节，起始地址为 0。
• b 需要 4 字节对齐，但 a 只占用了 1 字节，因此在 a 后面需要填充 3 字节，使得 b 的起始地址为 4。
• c 需要 2 字节对齐，b 占用 4 字节，所以 c 的起始地址为 8，不需要额外填充。
• 结构体总大小为 10 字节（1 + 3 + 4 + 2），但为了使结构体大小为 4 字节对齐（最大成员 b 是 4 字节对齐），需要在末尾再填充 2 字节。

最终结构体大小为 12 字节。

示例 2：优化后的结构体

type Optimized struct {
    b int32  // 4 bytes, 需要4字节对齐
    c int16  // 2 bytes, 需要2字节对齐
    a int8   // 1 byte, 不需要对齐
}

• b 占用 4 字节，起始地址为 0，符合 4 字节对齐。
• c 需要 2 字节对齐，b 占用 4 字节，所以 c 的起始地址为 4，不需要额外填充。
• a 占用 1 字节，c 占用 2 字节，所以 a 的起始地址为 6，不需要额外填充。
• 结构体总大小为 7 字节（4 + 2 + 1），但为了使结构体大小为 4 字节对齐（最大成员 b 是 4 字节对齐），需要在末尾再填充 1 字节。

最终结构体大小为 8 字节。

图解填充规则

假设我们有一个结构体：

type Example struct {
    a int8   // 1 byte
    b int16  // 2 bytes
    c int32  // 4 bytes
}

我们可以用图来表示内存布局：

Offset: 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11
        +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
        | a| P| P| P| b| b| P| P| c| c| c| c|
        +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

• a 占用 1 字节，后面填充 3 字节（P 表示填充字节）。
• b 占用 2 字节，后面填充 2 字节。
• c 占用 4 字节。

调整顺序后：

type Example struct {
    c int32  // 4 bytes
    b int16  // 2 bytes
    a int8   // 1 byte
}

内存布局变为：

Offset: 0  1  2  3  4  5  6  7
        +--+--+--+--+--+--+--+--+
        | c| c| c| c| b| b| a| P|
        +--+--+--+--+--+--+--+--+

• c 占用 4 字节。
• b 占用 2 字节。
• a 占用 1 字节，后面填充 1 字节。

最终结构体大小为 8 字节，比原来的 12 字节更紧凑。

总结

通过将占用较大内存空间的成员放在前面，可以减少编译器为了对齐而插入的填充字节数量，从而使结构体更加紧凑，节省内存。你可以使用 unsafe.Sizeof() 和 unsafe.Alignof() 来验证这些结构体的实际大小和对齐方式。