Intro

1 这是什么玩意？

测试环境的字长为8byte

首先，引入一个很简单的例子

type A struct {
    num1 int32
    num2 float64
}
type B struct {
    num1 int64
    num2 float64
}
func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{}))
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{}))
}

似乎答案很明显，A的大小应该是4 + 8 = 12，而B的大小应该是8 + 8 = 16。然而，输出结果是两个16。这时候就是发生了内存对齐，导致了struct占用的内存比想象中大。

2 为什么要内存对齐

首先，必须引入字长 word size的概念，简单地说就是CPU一次性处理的数据长度。字长为32位的CPU就叫做32位CPU。字长影响的内容较多，在这不做过多的讨论，只要了解上述的概念就足够往下学习了。

操作系统访问内存并非逐字节进行访问的，而是逐字长的，也就是说，每次访问内存，都是从字长的整数倍的地址开始的

让我们看看下面这种情况（图片来自知乎，侵删）：

假设我们机器的字长是4，而数据是从索引为1的地方开始存放，我们的CPU将要访问两次，并分别丢弃地址0以及地址5-7中的内容。如果内存是对齐的，则只需要一次访问即可。这就是为什么要内存对齐，最直接的一个理由。

Go如何实现内存对齐

Go官网 - Size and alignment guarantees

大小保证 Size guarantee

Go官网提到的基本数据类型的大小如下：

type                                 size in bytes
byte, uint8, int8,bool                1
uint16, int16                         2
uint32, int32, float32                4
uint64, int64, float64, complex64     8
complex128                           16

我找到了一张更详细的表：

这张表是基于Go 1.14编译器的，我们可以发现结构体的size是可能需要进行内容填充以进行内存对齐的。此外，最后一行的意思，用官方的话说就是：如果一个结构体或数组类型不包含尺寸大于0的字段（或元素），那么它的尺寸就是零。两个不同的零尺寸变量在内存中可能有相同的地址。这是由于Go可能会将所有大小为0的类型，指向同一块内存。

对齐保证 Align guarantee

首先，Go官方对这个的介绍如下：

对于任何类型的变量x：unsafe.Alignof(x)至少是1
对于结构类型的变量x：unsafe.Alignof(x)是x的每个字段f的所有值unsafe.Alignof(x.f)中最大的一个，但至少是1
对于数组类型的变量x：unsafe.Alignof(x)与数组的元素类型的变量的对齐系数（alignment）相同（不是切片）

对齐系数（alignment），表明该类型占用空间必须是对齐系数的倍数。这里的unsafe.Alignof()方法就是用于求任意类型的对齐系数的。Go的unsafe包中提供了几个方法，可以方便我们进行内存对齐的分析：

Function	Introduction	Explanation
`unsafe.Alignof()`	获取该类型的对齐系数	- 对于任何类型的变量x：unsafe.Alignof(x)至少是1。 - 对于结构类型的变量x：unsafe.Alignof(x)是x的每个字段f的所有值unsafe.Alignof(x.f)中最大的一个，且至少是1。 - 对于数组类型的变量x：unsafe.Alignof(x)与数组元素的类型对齐方式相同。 - 最大不会超过8（我觉得应该是一个字长），因为超过一个字长，就不需要对齐了
`unsafe.Sizeof()`	获取该类型的占用的内存	没啥好说的
`unsafe.Offsetof()`	获取结构体中字段的偏移值	即该字段起点与结构体起点之间的字节数，offset基本都是这个意思

零大小字段对齐

按理说，零大小的字段（比如struct{}），对齐系数应该就是0，但是如果该字段在结构体的末尾，则可能需要额外花费一个对齐系数的内存空间。因为如果有指针指向了这个零大小字段，那么其指向的地址就是在结构体之外。而如果一直不释放这个指针，就会导致内存泄漏。

不过如果该字段在中间，或者其前一个字段包含了padding，则不会有这个问题。

内存对齐与效率问题

这个问题的核心很直观，我们希望尽可能地减少padding的长度。想做到这一点，就需要知道判断这个结构体的align的大小，以及该如何对字段进行排序。我们依然是通过例子来建立起认知。简单地对比几个结构体，就大概知道该如何优化了。

type A struct {
    a int16            // 2
    b string        // 16
    c int8            // 1
}    // 32
type B struct {
    a int16            // 2
    c int8            // 1
    b string        // 16
}    // 24

此外，还需要注意零大小字段的问题。如果自己拿捏不准，多用用上文提到的unsafe包中的函数测试一下即可

Links

stackoverflow - 最详细的内存对齐的理由

这篇文章由The Journeymen的Five Hundred Miles提供精神支持