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前言

前面有篇文章我们学习了 ，最近又在看 unsafe包的知识，在查阅相关资料时不免会看到内存对齐相关的内容，虽然感觉这类知识比较底层，但是看到了却不深究和渣男有什么区别？虽然我不会，但我可以学🐶，那么这篇文章，我们就一起来看下什么是内存对齐吧！

说明：本文中的测试示例，均是基于Go1.17 64位机器

基础知识

在Go语言中，我们可以通过 unsafe.Sizeof(x) 来确定一个变量占用的内存字节数（不包含 x 所指向的内容的大小）。

例如对于字符串数组，在64位机器上，unsafe.Sizeof() 返回的任意字符串数组大小为 24 字节，和其底层数据无关：

func main() {
 s := []string{"1", "2", "3"}
 s2 := []string{"1"}
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(s))  // 24
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(s2)) // 24
}

对于Go语言的内置类型，占用内存大小如下：

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(int(1)))                  // 8
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uintptr(1)))          // 8
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(map[string]string{}))    // 8
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(string("")))          // 16
 fmt.Println(unsafe.Sizeof([]string{}))          // 24

 var a interface{}
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(a))                  // 16
}

看个问题

基于上面的理解，那么对于一个结构体来说，占用内存大小就应该等于多个基础类型占用内存大小的和，我们就结合几个示例来看下：

type Example struct {
 a bool // 1个字节
 b int  // 8个字节
 c string // 16个字节
}

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(Example{})) // 32
}

Example 结构体的三个基础类型，加起来一个 25字节，但是最终输出的却是 32字节。

我们再看两个结构体，即使这两个结构体包含的字段类型一致，但是顺序不一致，最终输出的大小也不一样：

type A struct {
 a int32
 b int64
 c int32
}

type B struct {
 a int32
 b int32
 c int64
}

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{})) // 24
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{})) // 16
}

是什么导致了上述问题的呢，这就引出了我们要看的知识点：内存对齐。

什么是内存对齐

内存对齐是编译器的管辖范围。表现为：编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

为什么需要内存对齐

假设每次访问的步长为4个字节，如果未经过内存对齐，获取b的数据需要进行两次内存访问，最后再进行数据整理得到b的完整数据：

如果经过内存对齐，一次内存访问就能得到b的完整数据，减少了一次内存访问：

unsafe.AlignOf()

• 对于任意类型的变量 x ， unsafe.Alignof(x) 至少为 1。
• 对于 struct 结构体类型的变量 x，计算 x 每一个字段 f 的 unsafe.Alignof(x.f)， unsafe.Alignof(x) 等于其中的最大值。
• 对于 array 数组类型的变量 x， unsafe.Alignof(x) 等于构成数组的元素类型的对齐倍数。

对于系统内置基础类型变量 x ，unsafe.Alignof(x) 的返回值就是 min(字长/8，unsafe.Sizeof(x))，即计算机字长与类型占用内存的较小值：

func main() {
  fmt.Println(unsafe.Alignof(int(1))) // 1 -- min(8,1)
  fmt.Println(unsafe.Alignof(int32(1))) // 4 -- min (8,4)
 fmt.Println(unsafe.Alignof(int64(1))) // 8 -- min (8,8)
  fmt.Println(unsafe.Alignof(complex128(1))) // 8 -- min(8,16)
}  

内存对齐规则

• 成员对齐规则

• 整体对齐规则

针对一个结构体，如果 unsafe.AlignOf() 返回值是 m，需要保证该结构体整体内存占用是 m的整数倍，如果当前不是整数倍，需要在后面填充空白字节。

1. 如果该变量占用内存小于字长：保证一次访问就能得到数据；
2. 如果该变量占用内存大于字长：保证第一次内存访问的首地址，是该变量的首地址。

举个例子

例1：

type A struct {
 a int32
 b int64
 c int32
}

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(A{1, 1, 1}))  // 24
}

1. 第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：

2. 第二个字段是 int64 类型，unsafe.Sizeof(int64(1)) = 8，内存占用为 8 个字节，同时unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，需保证变量放置首地址可以被8整除，当前地址为4，距离4最近的且可以被8整除的地址为8，因此需要添加四个空白字节，从8开始放置：

3. 第三个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，当前地址为16，16可以被4整除：

4. 所有成员对齐都已经完成，现在我们需要看一下整体对齐规则：unsafe.Alignof(A{}) = 8，即三个变量成员的最大值，内存对齐需要保证该结构体的内存占用是 8 的整数倍，当前内存占用是 20个字节，因此需要再补充4个字节：

5. 最终该结构体的内存占用为 24字节。

例二：

type B struct {
 a int32
 b int32
 c int64
}

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(B{1, 1, 1}))  // 16
}

1. 第一个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，我们假设地址从0开始，0可以被4整除：

2. 第二个字段是 int32 类型，unsafe.Sizeof(int32(1))=4，内存占用为4个字节，同时unsafe.Alignof(int32(1)) = 4，内存对齐需保证变量首地址可以被4整除，当前地址为4，4可以被4整除：

3. 第三个字段是 int64 类型，unsafe.Sizeof(int64(1))=8，内存占用为8个字节，同时unsafe.Alignof(int64(1)) = 8，内存对齐需保证变量首地址可以被8整除，当前地址为8，8可以被8整除：

4. 所有成员对齐都已经完成，现在我们需要看一下整体对齐规则：unsafe.Alignof(B{}) = 8，即三个变量成员的最大值，内存对齐需要保证该结构体的内存占用是 8 的整数倍，当前内存占用是 16个字节，已经符合规则，最终该结构体的内存占用为 16个字节。

空结构体的对齐规则

如果空结构体作为结构体的内置字段：当变量位于结构体的前面和中间时，不会占用内存；当该变量位于结构体的末尾位置时，需要进行内存对齐，内存占用大小和前一个变量的大小保持一致。

type C struct {
 a struct{}
 b int64
 c int64
}

type D struct {
 a int64
 b struct{}
 c int64
}

type E struct {
 a int64
 b int64
 c struct{}
}

type F struct {
 a int32
 b int32
 c struct{}
}

func main() {
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(C{})) // 16
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(D{})) // 16
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(E{})) // 24
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(F{})) // 12
}

总结

本篇文章我们一起学习了Go 语言中的内存对齐，主要内容如下：

• unsafe.Sizeof(x) 返回了变量x的内存占用大小
• 两个结构体，即使包含变量类型的数量相同，但是位置不同，占用的内存大小也不同，由此引出了内存对齐
• 内存对齐包含成员对齐和整体对齐，与 unsafe.AlignOf(x) 息息相关
• 空结构体作为成员变量时，是否占用内存和所处位置有关
• 在实际开发中，我们可以通过调整变量位置，优化内存占用（一般按照变量内存大小顺序排列，整体占用内存更小）

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