从CPU角度理解Go中的结构体内存对齐-技术圈

大家好，我是渔夫子。今天跟大家聊聊结构体字段内存对齐相关的知识点。

大家在写Go时有没有注意过，一个struct所占的空间不见得等于各个字段加起来的空间之和，甚至有时候把字段的顺序调整一下，struct的所占空间又有不同的结果。

本文就从cpu读取内存的角度来谈谈内存对齐的原理。

01 结构体字段对齐示例

我们先从一个示例开始。T1结构体，共有3个字段，类型分别为int8,int64,int32。所以变量t1所属的类型占用的空间应该是1+8+4=13字节。但运行程序后，实际上是24字节。和我们计算的13字节不一样啊。如果我们把该结构体的字段调整成T2那样，结果是16字节。但和13字节还是不一样。这是为什么呢？

type T1 struct {
    f1 int8  // 1 byte
    f2 int64 // 8 bytes
    f3 int32 // 4 bytes
}

type T2 struct {
    f1 int8  // 1 byte
    f3 int32 // 4 bytes
    f2 int64 // 8 bytes
}

func main() {
    fmt.Println(runtime.GOARCH) // amd64

    t1 := T1{}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(t1)) // 24 bytes

    t2 := T2{}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(t2)) // 16 bytes
}

02 CPU按字的方式从内存读取数据

在买电脑时或看自己电脑的属性时，都会发现CPU的规格是64位或32位的，近些年的都是64位的。而这64位指的就是CPU一次可以从内存中读取64位的数据，即8个字节。这个长度也称为CPU的字长（注意这里和字节的区别，字节是固定的8位，而字长随着CPU的规格变化，32位的字长是4字节，64位的字长是8字节）。

虽然CPU一次可以抓取8字节，但也是想从哪里抓就从哪里抓取的。因为内存也会以8字节为单位分成一个一个的字（如下图），而CPU一次只能拿某一个字。所以，如果所需要读取的数据正好跨了两个字，那就得花两个CPU周期的时间去读取了。

03 struct字段内存对齐

了解了CPU从内存读取数据是按块读取的之后，我们再来看看开头的T1结构体各字段在内存中如果紧密排列的话会是怎么样的。在T1结构体中各字段的顺序是按int8、int64、int32定义的，所以把各字段在内存中的布局应该形如下面这样：因为第2个字段需要8字节，所以会有一个字节的数据排列到第2个字中。

那这样排列会有什么问题呢？如果我们的程序想要读取t1.f2字段的数据，那CPU就得花两个时钟周期把f2字段从内存中读取出来，因为f2字段分散在两个字中。

所以，为了能让CPU可以更快的存取到各个字段，Go编译器会帮你把struct结构体做数据的对齐。所谓的数据对齐，是指内存地址是所存储数据大小（按字节为单位）的整数倍，以便CPU可以一次将该数据从内存中读取出来。编译器通过在T1结构体的各个字段之间填充一些空白已达到对齐的目的。

重新排列后，内存的布局会长如下这样，有13个字节的空间是真正存储数据的，而深色的11个字节的空间则是为了对齐而填充上的，不存储任何数据，以确保每个字段的数据都会落到同一个字长里面，所以才会有了开头的13个字节的数据类型实际上变成了24字节。

04 如何减少struct的填充

虽然通过填充的方式可以提高CPU读写数据的效率，但这些填充的内存实际上是不存在任何数据的，也就相当于浪费掉了。以T1结构体为例，实际存储数据的只有13字节，但实际用了24字节，浪费了将近一半，那有没有什么办法既可以做到内存对齐提高CPU读取效率又能减少内存浪费的吗？

答案就是调整struct字段的顺序。我们再观察下T1结构体的字段分布，就会发现下面的f3字段的4个字节可以挪到f1字段所在的那一排的填充位置，毕竟第一排的填充空间超大，不用也是浪费，而且挪上去之后，每个字段还是都在同一个字里面。

一旦把 f3 移上去，就可以省掉最下面一整个子(8 bytes) 的空间，所以 T2 整个 struct 就只需要 16 bytes，是原本 T1 24 bytes 的三分之二。

在Go程序中，Go会按照结构体中字段的顺序在内存中进行布局，所以需要将字段f2和f3的位置交换，定义的顺序变成int8、int32、int64，这样Go编译器才会顺利的按上图那样排列。

05 在同一个字（8字节）中的内存分布

上面都是看到的跨字长（64位系统下是8字节）的存储示例来说明CPU需要从内存读取两次才能将一个完整的数据完整的读取出来。那如果是有n个小于一个字长的类型在同一个字长中是否可以连续分配呢？我们通过示例来讲解一下：

var x struct {
    a bool
    b int16
}

我们计算一下各个字段占用的内存空间：1字节（a）+2字节（b）= 3字节。没超过1个字长（8字节），但在内存中的分布是如下图这样：

我们发现b并没有直接在a的后面，而是在a中填充了一个空白后，放到了偏移量为2的位置上。为什么呢？

答案还是从内存对齐的定义中推导出来。我们上面说过，内存对齐是指数据存放的地址是数据大小的整数倍。也就是说会有数据存放的起始地址%数据的大小=0

我们来验证下上面的结构体的排列。假设结构体的起始地址为0，那么a从0开始占用1个字节。b字段如果放在地址1处，套用上面的公式 1 % 2 = 1，就不满足对齐的要求。所以在地址为2处开始存放b字段。这也就解释了很多文章中列出的原则：结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍

06 什么时候该关注结构体字段顺序

由此可知，对结构体字段的重新排列会让结构体更节省内。但我们需要这么做吗？以Student为例，我们看下Student的定义：

type Student struct {
    id int8 //学号
    name string //姓名
    classID int8 //班级
    phone [10]byte //联系电话
    address string // 地址
    grade int32 //成绩
}

我们看下该结构体在内存中的分布如下，可以看到有很多深色的填充空间，总计浪费了16字节，好像还可以优化。

我们通过调整Student结构体的字段顺序来进行下优化，可以看到从开始的64字节，可以优化到48字节，共省下了25%的空间。

type Student struct {
    name string //姓名
    address string // 地址
    grade int32 //成绩
    phone [10]byte //联系电话
    id int8 //学号
    classID int8 //班级  
}

调整后的结构体在内存中的分布如下：

我们看到，通过调整结构体中的字段顺序确实节省了内存空间，那我们真的有必要这样节省空间吗？

以student结构体为例，经过重新排列后，节省了16字节的空间，假设我们在程序中需要排列全校同学的成绩，需要定义一个长度为10万的Student类型的数组，那剩下的内存也不过16MB的空间，跟现在个人电脑的8G到16G的内存比起来微不足道。而且在字段重新排列后，可读性也变得很差了。像Student原本是以学号，姓名，班级...这样依次排列的，而重新调整后变成了姓名，地址，成绩...，一直到最后才是学号跟班级，不符合人们的思维习惯。

所以，我的建议是对于结构体的字段排列不需要过早的进行优化，除非一开始就知道你的程序瓶颈就卡在这里。否则，就按照正常的习惯编写Go程序即可。

07 总结

本文从CPU读取内存的角度分析了为什么需要进行数据对齐。该文目的是为了让你更好的了解底层的运行机制，而非时刻关注结构体的字段顺序。在编写代码时顺其自然就好。到了这里成为瓶颈的时候再记着调整下字段顺序就好。

想要了解关于 Go 的更多资讯，还可以通过扫描的方式，进群一起探讨哦～

ps：群内还有剩余不多的个空位，拼手速的时候到了（bushi）！还可以加 微信号：gocnio 让小编拉你进群哦