聊一聊 Go 的内存对齐

前言

在一次工作中，需要使用 Go 调用 DLL 文件，其中就涉及到内存对齐的相关知识，如果自定义的结构体内存布局和所调用的 DLL 结构体内存布局不一致，就会无法正确调用。所以，一旦涉及到较为底层的编程，特别是与硬件交互，内存对齐是一个必修的课题。

基础知识

在正式了解内存对齐前，我们先来看一个方法 unsafe.Sizeof()，它可以获取任意一个变量占据的内存大小，即这个变量在内存中所占据的字节数。Go 内置的变量类型占据内存大小情况如下：

类型	字节数
bool	1
string	2 * 计算机字长/8 (64位16个字节，32位8个字节)
int、uint、uintptr	计算机字长/8 (64位8个字节，32位4个字节)
*T, map, func, chan	计算机字长/8 (64位8个字节，32位4个字节)
intN, uintN, floatN, complexN	N/8个字节（int32是4个字节，float64是8个字节）
interface	2 * 计算机字长/8 (64位16个字节，32位8个字节)
[]T	3 * 计算机字长/8 (64位24个字节，32位12个字节)

对于切片类型而言，字节数是固定的24字节或者12字节（32位系统上），而对于数组类型而言，它的大小是元素数量 * 元素类型字节数：

var (
	slice []int8
	array [3]int8
)
fmt.Printf("切片：%v\n", unsafe.Sizeof(slice))
fmt.Printf("数组：%v\n", unsafe.Sizeof(array))

// 结果
切片：24
数组：3

对于复合结构，也就是结构体，其情况就会变的复杂起来：

type MemStruct struct {
	b   bool  // 1
	i8  int8  // 1
	i16 int16 // 2
	i32 int32 // 4
}

type MemStruct2 struct {
	b   bool  // 1
	i8  int8  // 1
	i32 int32 // 4
}

func TestStruct(t *testing.T) {
	fmt.Println("MemStruct:", unsafe.Sizeof(MemStruct{}))
	fmt.Println("MemStruct2:", unsafe.Sizeof(MemStruct2{}))
}

// 结果
MemStruct: 8
MemStruct2: 8

嗯，看完代码，是不是发现了哪里不对，MemStruct 和 MemStruct2 两个结构体的 SizeOf 值居然是一样的？MemStruct 还好理解， 1 + 1 + 2 + 4 = 8 当然没问题，那 MemStruct2 是怎么回事？这个问题我们暂且按下不表， 先来看一下 CPU 是怎么访问内存的。

CPU 访问内存

CPU 访问内存时，并不是逐个字节访问，而是按照字长位单位访问，比如 32 位系统，CPU 一次性读取 4 字节，64位则一次性读取 8 字节。对于上文的 MemStruct2 结构体，假使它在内存中是这样的（实际上不是，这里是为了方便理解）：

那么，此时我们以 4 字长来读取 Int32 变量，CPU 就必须要读取两次内存，然后将两次读取的结果进行整理，最终得到完整的数据：

读取一个变量需要访问两次内存访问？这既不优雅也不高效，而且不利于变量操作的原子性。那么，Go 编译器是怎么解决这个问题呢，可能你也想到了，我们把结构体内存调整一下，在 Int8 之后填充两个空字节：

经过调整，我们就可以一次性的读取出 Int32。这种调整方式有一个响亮的名字——内存对齐。内存对齐是 Go 编译器来完成的，它对于程序员是透明的。我们的 MemStruct2 结构体之所以会多出 2 个字节，正是因为内存对齐的原因。

为什么需要内存对齐

如上文所说，内存对齐可以保障变量被 CPU 一次性的读取出来，这可以减少CPU访问内存的次数，加大CPU访问内存的吞吐量。一次性的读取变量，也保证变量的原子操作性。除此之外，有些硬件平台不支持访问任意地址的任意数据，如果不进行内存对齐，编程语言就丧失了平台可移植性。内存对齐赋予了编程语言的可移植性。

当然，内存对齐也有一些缺点：

1. 因为会置空一些内存，所以会造成一定量的内存浪费；
2. 会增加编译器的复杂度，编译器需要根据不同的平台和指令集来确定合适的对齐方式，并且需要处理一些特殊的情况，比如位域、联合体、指针等。

对齐保证

unsafe.Alignof(x) 返回一个类型的对齐系数，对于 Go 的基础类型来说，这个值会取 计算机字长/8 和 unsafe.Sizeof(x) 中较小的一个值。即 min(计算机字长/8，unsafe.Sizeof(x))：

func TestAlignOf(t *testing.T) {
	var (
		s  string
		i8 int8
	)
	fmt.Printf("string sizeof:%v, alignof: %v\n", unsafe.Sizeof(s), unsafe.Alignof(s)) // min(8, 1) = 1
	fmt.Printf("int8 sizeof:%v, alignof: %v\n", unsafe.Sizeof(i8), unsafe.Alignof(i8)) // min(8, 16) = 16
}

对于 64 位操作系统来说，计算机字长64/8 = 8。int8 的 SizeOf 是 1，与 8 对比较小，所以 int8 的对齐系数就是1；string 的 SizeOf 是16，与 8 相比较大，所以 string 的对齐系数就是 8。

对于数组和结构体类型来说，情况则有些特殊。在 The Go Programming Language Specification 一文中提到了三点，其中后两点说的就是结构体和数组：

1. For a variable x of any type: unsafe.Alignof(x) is at least 1.
2. For a variable x of struct type: unsafe.Alignof(x) is the largest of all the values unsafe.Alignof(x.f) for each field f of x, but at least 1.
3. For a variable x of array type: unsafe.Alignof(x) is the same as the alignment of a variable of the array's element type.

这段话翻译过来就是：

1. 对于任意类型的变量 x ，unsafe.Alignof(x) 至少为 1;
2. 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;
3. 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。

第一点容易理解，没有哪个类型对齐系数会小于1的，不然那不就乱套了吗。第二点的意思就是说对于任意结构体而言，它的对齐系数会等于它所包含字段中对齐系数最大的那一个：

type MemStruct struct {
	b   bool   // alignof: 1
	i8  int8   // alignof: 1
	i32 int32  // alignof: 4
	s   string // alignof: 8
}

func TestStruct(t *testing.T) {
	fmt.Printf("MemStruct的对齐系数：{%v}, 等于string的对齐系数：{%v}", unsafe.Alignof(MemStruct{}), unsafe.Alignof(string("1")))
}

// 结果
MemStruct的对齐系数：{8}, 等于string的对齐系数：{8}

第三点就是说对于数组类型而言，它的对齐系数等于它构成元素类型的对齐系数：

func TestArray(t *testing.T) {
	var (
		it  interface{}
		arr [3]interface{}
	)
	fmt.Printf("数组interface{}的对齐系数：{%v}, 等于interface的对齐系数：{%v}", unsafe.Alignof(arr), unsafe.Alignof(it))
}

// 结果
数组interface{}的对齐系数：{8}, 等于interface的对齐系数：{8}

以上两个例子的基于 64 位操作系统。

结构体对齐技巧

合理的布局可以减少内存浪费，假使我们现在有一个结构体有 int8、int16、int32 三个字段，那么这三个字段在结构体的顺序会影响结构体的内存占用吗？我们来看一个例子：

type S1 struct {
	i8  int8
	i16 int16
	i32 int32
}

type S2 struct {
	i8  int8
	i32 int32
	i16 int16
}

func TestLeastMem(t *testing.T) {
	fmt.Printf("S1的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S1{}))
	fmt.Printf("S2的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S2{}))
}

// 结果
S1的占用: 8
S2的占用: 12

可以看到，S1 明显占用的内存更少。让我们来分析一下，S1 和 S2 的对齐系数都等于其子字段 int16 的对齐系数，也就是 4。对于S1，经过内存对齐，它们在内存中的布局是这样的：

对于 S1:

• i8 是第一个字段，默认已经对齐，从 0 开始占据 1 个字节；
• i16 是第二个字段，对齐系数为 2，因此，必须填充 1 个字节，其偏移量才是 2 的倍数，从 2 开始占据 2 字节；
• i32 是第三个字段，对齐系数为 4，此时，内存已经是对齐的，从第 4 开始占据 4 字节即可；

因此 S1 在内存占用了 8 个字节，浪费了 1 个字节。

对于 S2：

• i8 是第一个字段，默认已经对齐，从 0 开始占据 1 个字节；
• i32 是第二个字段，对齐系数为 4，因此，必须填充 3 个字节，其偏移量才是 4 的倍数，从第 4 开始占据 4 字节；
• i16 是第三个字段，对齐系数为 2，此时，内存已经是对齐的，从第 8 开始占据 2 字节即可。

因此 S2 在内存占用了 12 个字节，浪费了 5 个字节。

空结构体对齐保证

对于空结构体，其 Sizeof 为0，Alignof 是 1，一般其作为其他结构体字段时，不需要内存对齐，但有一种情况除外：在结构体末尾。为什么呢？我们先要知道一件事情：因为空结构体的 Size 为0，所以编译器会把 zerobase 的地址分配出去，这体现在 src/runtime/malloc.go 878 行中（Go 1.20.4):

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
	...
	if size == 0 {
		return unsafe.Pointer(&zerobase)
	}
	...
}

zerobase 是 Go 定义的一个 uintptr 的特殊全局变量，占据 8 个字节。因为所有空接口体的地址都指向 zerobase，所以所有空结构体的内存地址都是一样的！这样做就可以使所有的空结构体有一个独一无二的内存地址，不与 nil 混淆，而且多个空结构体不会占用额外的内存。空结构体有内存地址却不占用内存，这个概念很重要！

有了这个概念，我们就比较容易理解为什么空结构体在末尾需要内存对齐了。当空结构体类型作为结构体的最后一个字段时，如果有指向该字段的指针，那么就会返回该结构体之外的地址，导致内存泄露。为了避免这种情况就需要进行一次内存对齐，且内存占用大小和前一个变量的大小保持一致：

type emptyStruct struct{}

type S1 struct {
	empty emptyStruct
	i8    int8
}

type S2 struct {
	i8    int8
	empty emptyStruct
}

type S3 struct {
	i16   int16
	empty emptyStruct
}

type S4 struct {
	i16   int16
	i8    int8
	empty emptyStruct
}

func TestSpaceStructMem(t *testing.T) {
	fmt.Printf("S1的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S1{}))
	fmt.Printf("S2的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S2{}))
	fmt.Printf("S3的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S3{}))
	fmt.Printf("S4的占用: %v\n", unsafe.Sizeof(S4{}))
	// S3 空结构从第二位开始，往后补充两个字节
	fmt.Printf("S3的空结构体偏移量: %v\n", unsafe.Offsetof(S3{}.empty))
	// S4 空结构从第三位开始，往后补充一个字节
	fmt.Printf("S4的空结构体偏移量: %v\n", unsafe.Offsetof(S4{}.empty))
}

// 结果
S1的占用: 1
S2的占用: 2
S3的占用: 4
S4的占用: 4
S3的空结构体偏移量: 2
S4的空结构体偏移量: 3