?前言

之前分享過2篇結(jié)構(gòu)體文章：10秒改struct性能直接提升15%，產(chǎn)品姐姐都夸我好棒? 和 ??Go語言空結(jié)構(gòu)體這3種妙用，你知道嗎？?? 得到了大家的好評。

這篇繼續(xù)分享進(jìn)階內(nèi)容：

結(jié)構(gòu)體的定義，大家都很熟悉，想要定義出更節(jié)省內(nèi)存空間的結(jié)構(gòu)體，可不是一件簡單的事。

我們必須掌握Go的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊機(jī)制，才能做出相應(yīng)的優(yōu)化：節(jié)省內(nèi)存并提高性能。

先來看個(gè)例子

下面定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)體，字段都一樣，只是部分字段稍微調(diào)整了一下順序。

但輸出的結(jié)果卻完全不同：一個(gè)順序調(diào)整就節(jié)省了8個(gè)字節(jié)，太神奇了。

type BadSt struct {
  A int32
  B int64
  C bool
}

type GoodSt struct {
  A int32
  C bool
  B int64
}

func main() {
  bad := BadSt{A: 10, B: 20, C: false}
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(bad))//輸出結(jié)果：24
  good := GoodSt{A: 10, B: 20, C: false}
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(good))//輸出結(jié)果：16
}

為什么bad占用24字節(jié)，而good卻只占用16字節(jié)呢？

想要解開這個(gè)問題，我們得先來學(xué)習(xí)一下內(nèi)存對齊機(jī)制，然后再來進(jìn)一步分析。

原理講解

基本概念

為了能讓CPU可以更快的存儲、讀取到各個(gè)字段，Go編譯器會幫我們把結(jié)構(gòu)體做數(shù)據(jù)的對齊。

所謂的數(shù)據(jù)對齊，是指內(nèi)存地址的大小是所存儲數(shù)據(jù)大小的整數(shù)倍（按字節(jié)為單位），以便CPU可以一次將該數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀取出來，減少了讀取次數(shù)。

編譯器通過在結(jié)構(gòu)體的各個(gè)字段之間填充一些空白，來達(dá)到對齊的目的。

CPU訪問內(nèi)存

CPU 訪問內(nèi)存時(shí)，并不是逐個(gè)字節(jié)訪問，而是以機(jī)器字（word）為單位進(jìn)行訪問。

比如 64位CPU的字長（word size）為8bytes，那么CPU訪問內(nèi)存的單位也是8字節(jié)，每次加載的內(nèi)存數(shù)據(jù)也是固定的若干字長，如8words（64bytes）、16words(128bytes）等

對齊系數(shù)

不同硬件平臺占用的大小和對齊值都可能是不一樣的，每個(gè)特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)"對齊系數(shù)"，32位系統(tǒng)對齊系數(shù)是4，64位系統(tǒng)對齊系數(shù)是8

不同類型的對齊系數(shù)也可能不一樣，使用Go?語言中的unsafe.Alignof?函數(shù)可以返回相應(yīng)類型的對齊系數(shù)，對齊系數(shù)都符合2^n這個(gè)規(guī)律，最大也不會超過8

func main() {
  fmt.Printf("bool:   %d\n", unsafe.Alignof(bool(true)))
  fmt.Printf("string: %d\n", unsafe.Alignof(string("a")))
  fmt.Printf("int:    %d\n", unsafe.Alignof(int(0)))
  fmt.Printf("int32:  %d\n", unsafe.Alignof(int32(0)))
  fmt.Printf("int64:  %d\n", unsafe.Alignof(int64(0)))
  fmt.Printf("float64:  %d\n", unsafe.Alignof(float64(0)))
  fmt.Printf("float32:%d\n", unsafe.Alignof(float32(0)))
}
//輸出結(jié)果：
//bool:   1
//string: 8
//int:    8
//int32:  4
//int64:  8
//float64:8
//float32:4

對齊原則

1. 結(jié)構(gòu)體變量中成員的偏移量必須是成員大小的整數(shù)倍
2. 整個(gè)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小必須是最大字節(jié)的整數(shù)倍（結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存占用是1/4/8/16byte…)

案例分析

type BadSt struct {
  A int32
  B int64
  C bool
}

BadSt結(jié)構(gòu)體，占用24個(gè)字節(jié)

分析過程：

1. 字段A 4字節(jié)：先計(jì)算偏移量，最開頭下標(biāo)為0，0%4=0，正好整除，先占用4個(gè)字節(jié)；
2. 字段B 8字節(jié)：下標(biāo)4-7，對8都不能整除，則填充空白，下標(biāo)8可以整除，所以下標(biāo)8-15 8個(gè)字節(jié)為字段B的存儲使用；
3. 字段C 1字節(jié)：下標(biāo)16，對1可以整除，所以下標(biāo)16則用作字段C的存儲；
4. 最后，該結(jié)構(gòu)體字段最大字節(jié)為8且目前已占用17字節(jié)，要保證是整數(shù)倍，所以最后面需要填充7個(gè)字節(jié)，占滿24字節(jié)，才能滿足條件（對齊原則2）。

GoodSt結(jié)構(gòu)體，占用16個(gè)字節(jié)

type GoodSt struct {
  A int32
  C bool
  B int64
}

分析過程：

1. 字段A 4字節(jié)：先計(jì)算偏移量，最開頭下標(biāo)為0，0%4=0，正好整除，先占用4個(gè)字節(jié)；
2. 字段C 1字節(jié)：下標(biāo)4，對1可以整除，所以下標(biāo)4則用作字段C的存儲；
3. 字段B 8字節(jié)：下標(biāo)5-7，對8都不能整除，則填充空白，下標(biāo)8可以整除，所以下標(biāo)8-15 8個(gè)字節(jié)為字段B的存儲使用；
4. 最后，該結(jié)構(gòu)體字段最大字節(jié)為8且目前已占用16字節(jié)，正好是整數(shù)倍，所以后面不再需要填充空白了。

總結(jié)

通過上文的原理講解和案例分析，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)存對齊機(jī)制并不復(fù)雜。

可以簡單理解為：將對齊系數(shù)小的字段，盡可能放在一起，盡量減少空白填充。

掌握了內(nèi)存對齊機(jī)制后，結(jié)構(gòu)體Struct的優(yōu)化，調(diào)整下字段順序，效果立竿見影。內(nèi)存對齊其實(shí)就是典型的空間換時(shí)間的方式，來達(dá)到優(yōu)化的目的。牢記對齊原則，對實(shí)際場景進(jìn)行分析，減少空白填充。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「 程序員升級打怪之旅」，作者「王中陽Go」，可以通過以下二維碼關(guān)注。

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