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)。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-645634.html
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文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-645634.html
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。
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