理解內存對齊

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相信你們都據說過內存對齊的概念，不過這裏仍是經過一個現象來引出本篇話題。

1、求一個結構體的size

猜下下面這個結構體會佔用多少字節

type S struct {
    B byte  // Go中一個byte佔1字節，int32佔4個字節，int64佔8個字節
    I64 int64
    I32 int32
}

是否是覺得是1+8+4 = 13個字節？寫段代碼驗證下：

type S struct {
	B   byte
	I64 int64
	I32 int32
}

func main() {
	s := S{}
	fmt.Printf("s size:%d\n", unsafe.Sizeof(s))
}

輸出：

s size:24

與預想顯然不一樣，這是爲何呢？答案是編譯器替咱們作了內存對齊。

2、什麼是內存對齊

要理解這個問題須要先了解一下字長的概念以及內存的物理結構

2.1 字長

在計算器領域，對於某種特定的計算機設計而言，字（word）是用於表示其天然的數據單位的術語。在這個特定計算機中，字是其用來一次性處理事務的一個固定長度的位（bit）組。一個字的位數即爲字長。

字長在計算機結構和操做的多個方面均有體現，計算機中大多數寄存器（這裏應該是指通用寄存器）的大小是一個字長。

上面這段話可能太過於概念化不太好理解，那麼請看下面的這段64位機器上的GUN彙編器語法的彙編代碼：

movq (%ecx) %eax

這段彙編代碼是將eax這個寄存器中的數據做爲地址訪問內存，並將內存中的數據加載到eax寄存器中。

咱們能夠看到mov指令的後綴是q，意味着該指令將加載一個64位的數據到eax寄存器中，這樣一條指令能夠操做一個64位的數據，說明該機器的字長爲64位，同時這段代碼可以執行則說明咱們機器上的CPU中的eax寄存器一定是64位的，而一條指令可以從內存中加載一個64位的數據也說明了數據總線的位寬也爲64位，說明了咱們的CPU能夠一次從內存中加載8個字節的數據。

2.2 64位內存物理結構

內存是由若干個黑色顆粒組成的，每一個內存顆粒叫作一個chip，每一個chip是由8個bank組成，每一個bank是二維平面上的矩陣，矩陣中的每一個元素保存1個字節也就是8個bit。

對於內存中連續的8個字節好比0x0000-0x0007，並不是位於一個bank上，而是位於8個bank上，每一個bank保存一個字節，8個bank像是垂直疊在一塊兒，物理上它們並非連續的。

之因此這樣設計是基於電路工做效率考慮，這樣的設計能夠並行取8個字節的數據，若是想取址0x0000-0x0007，每一個bank只須要工做一次就能夠取到，IO效率比較高，若是這8個字節在同一個bank上則須要串行讀取該bank8次才能取到。

結合上面的結構圖能夠看到0x0000-0x0007是一列，0x0008-0x000F是另一列，若是從內存中取8-15字節的數據也能夠一次取出來，但若是咱們要取1-9的數據就須要先取0-7的數據，再取8-15的數據而後拼起來，這樣的話就會產生兩次內存IO。因此基於性能的考慮某些CPU會強制只能讀取8的倍數的內存，而這也致使了編譯器再此類平臺上編譯時必須作內存對齊。

2.3 再來看結構體size的問題

如下均以64位平臺，即：64位寬內存以及64位cpu(數據總線64位，寄存器64位)爲前提

type S struct {
    B byte
    I64 int64
    I32 int32
}

在不瞭解內存對齊前咱們可能會簡單覺得結構體在內存中多是這樣排列的：

總共佔用13個字節。咱們能夠看到 I64 這個字段的內存地址是1-8，而在64位平臺上爲了將這個字段加載到寄存器中，CPU須要兩次內存IO。
但作內存對齊後：

總共佔用20個字節，I64這個字段的內存地址是8-15，爲了將這個字段加載到寄存器中，只須要一次內存IO便可。
咱們寫段代碼驗證下是否真的佔用了20個字節：

type S struct {
	B   byte
	I64 int64
	I32 int32
}

func main() {
	s := S{}
	fmt.Printf("s size: %d, align: %d\n", unsafe.Sizeof(s), unsafe.Alignof(s))
}

輸出：

s size: 24, align: 8

程序輸出了24，而非上面咱們覺得的20，這是怎麼回事呢？緣由是結構體自己也必需要作對齊，它必須在後面再額外佔用4個字節以使本身的size爲8的倍數。

上面的結構體若是後面跟一個4字節的變量的話理論上說不用對齊也能保證一次內存IO就可加載，因此結構體對齊的根本緣由目前我還不是特別能理解，可能爲編譯器作的優化，瞭解的同窗歡迎在評論區指點一下

咱們再調整下結構體的聲明：

type S struct {
    B byte
    I32 int32
    I64 int64
}

再作內存對齊的話該結構體在內存中應該就是下面這個樣子了：

這時總共佔用16個字節，相比較上面咱們節省了8個字節。
寫段代碼驗證下：

type S struct {
	B   byte
	I32 int32
	I64 int64
}
func main() {
	s := S{}
	fmt.Printf("s size:%v, s.B地址:%v, s.I32地址:%v, s.I64地址:%v\n", unsafe.Sizeof(s), &s.B, &s.I32, &s.I64)
}

輸出結果:

s size:16, s.B地址:0xc0000b4010, s.I32地址:0xc0000b4014, s.I64地址:0xc0000b4018

確實佔用了16字節，但貌似I32這個字段跟咱們預想的不太同樣，它被對齊到了4的倍數地址上，而非緊跟在B後邊，這大概是編譯器考慮到用戶可能使用32位cpu/內存而致使的，目前沒有查到相關資料姑且這麼認爲吧。

參考資料

字 (計算機)
帶你深刻理解內存對齊最底層原理