Go | 结构体及内存对齐

Posted 2021-05-15 Lindbergh_

CPU 要想从内存读取数据，需要通过地址总线，把地址传输给内存，内存准备好数据，输出到数据总线，交给CPU。

如果地址总线只有8根[0,255]，那这个地址就只有8位，可以表示256个地址，因为表示不了更多的地址，就用不到更大的内存，所以256byte就是8根地址总线最大的寻址空间，要使用更大的空间，就要有更宽的地址总线。

例如：32位地址总线[0,2^32-1]，就可以寻址4G内存了

每次操作1字节太慢，那就加宽数据总线，要想每次操作4字节，就要有至少32位数据总线，8字节就要64位数据总线。

这里每次操作的字节数，就是所谓的机器字长

内存布局

通过8个bank就可以选择行选择列来定位一个地址，这不像我们逻辑上认为的，那样连续的存在，但他们公用同一个地址。

各自选择同一个位置的一个字节，再组合起来作为我们逻辑上认为的连续8个字节，通过这样的并行计算，提高了内存访问的效率，但是用这种设计，addrss就只能是8的倍数。

如果非要错开一个格儿，由于最后一个字节对应的位置与前七个不同，不能在一次操作中被同一个地址选中，所以这样的地址是不能用的。硬件不支持

之所有些CPU能够支持访问任意地址，是因为它做了许多处理

例如你想从地址1开始读八个字节的数据。
CPU会分两次读，第一次从0-7，但只取后七字节，第二次从8-15，但只取第一个字节，再把两次结果拼接起来拿到所需数据，但这必然会影响性能。

所以保证程序顺利高效的运行，编译器会把各种类型的数据安排到合适的地址，并占用合适的长度，这就是内存对齐。

每种类型的对齐值就是它的对齐边界，内存对齐要求数据存储地址，以及占用的字节数都要是它对齐边界的倍数。

这个int32要错开两个字节，从4开始，却不能紧接着从2开始

如何确定对齐边界呢

这和平台有关，Go语言支持这些平台。

可以看到常见的32位平台，指针宽度和寄存器宽度都是4字节。64位平台上都是8字节，而被Go语言称为寄存器宽度的这个值，就可以理解为机器字长，也是平台对应的最大对齐边界

数据类型的对齐边界，是取类型大小与平台最大对齐边界中较小的那个。不过要注意同一个类型在不同平台上，大小可能不同，对齐边界也可能不同

内存边界这样选择，依然是为了减少浪费，提高性能

为什么不统一使用平台最大对齐边界，或者统一按照类型大小来对齐

假设目前是64位平台，最大对齐边界为8字节。

int8只有一个字节，按照一字节对齐的话，他可以放在任何位置，因为总能通过一次读取把它完整拿出来。如果统一对齐到8字节，虽然同样只要读取一次，但是每个int8类型的变量都要浪费7个字节，所以对齐到1。

int16占两字节，按照两字节对齐，可以从0、2、4、6、8、10…而且能保证只用读取一次，如果按照一字节对齐，就可能存成[7-8],那就要读取两次再截取拼接，很影响性能。
如果对齐到8字节，会向int8一样，会浪费内存

假设目前是32位平台，最大对齐边界为4字节。

int64占8字节，如果在前两个字节被占用的情况下，如果对齐到类型大小8，就要从8位置开始存，如果对齐到4，就可以从4位置开始存，内存浪费更少。

结构体的对齐边界

对结构体而言，首先要确定每个成员的对齐边界，然后取其中最大的，这就是这个结构体类型的对齐边界。

内存对齐要求：

• 存储这个结构体的起始地址是对齐边界的倍数，假设起始地址为0.
• 结构体的每个成员在存储时，都要把这个起始地址当作地址0，然后再用相对地址来决定自己该放在哪儿。
• 结构体整体占用字节数需要是类型对齐边界的倍数，不够的话要往后扩张一下。

结构体整体占用字节数需要是类型对齐边界的倍数（22%8!=0），不够的话要往后扩张一下吗，所以他要扩充到相对地址32这里（24%8==0），最终这个结构体类型的大小就是24字节。

为什么要限制类型大小等于对齐边界的整数倍？

此时第二个元素并没有内存对齐。

所以只有每个结构体的大小都是对齐值的整数倍，才能保证数组中每一个都是内存对齐。