聊聊go语言中的内存填充

news2024/11/27 8:42:09

写在文章开头

我们都知道数据加载到CPU缓存中可以提升执行性能，所以为了保证每一个结构体中的成员能够完整的被单个CPU核心加载以避免缓存一致性问题而提出内存对齐，这篇文章笔者会从go语言的角度来讨论这个优化机制。

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Hi，我是 sharkChili ，是个不断在硬核技术上作死的 java coder ，是 CSDN的博客专家 ，也是开源项目 Java Guide 的维护者之一，熟悉 Java 也会一点 Go ，偶尔也会在 C源码 边缘徘徊。写过很多有意思的技术博客，也还在研究并输出技术的路上，希望我的文章对你有帮助，非常欢迎你关注我的公众号： 写代码的SharkChili 。

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详解go语言中的内存对齐

内存填充代码示例

我们不妨举个例子，我们现在声明一个Num结构体并通过Sizeof获取其大小：

type Num struct {
	num1 int32
	num2 int32
}

func main() {
	// 打印字节大小
	fmt.Println("Num bytes:", unsafe.Sizeof(Num{}))
}

输出结果为8字节，很明显两个32位的整型变量相加就是8字节：

Num bytes: 8

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我们再来看点神奇的，我们将num1改为int16，再次进行打印，理论上2byte+4byte最终输出应该是6byte：

type Num struct {
	num1 int16
	num2 int32
}

func main() {
	// 打印字节大小
	fmt.Println("Num bytes:", unsafe.Sizeof(Num{}))
}

但输出结果确是8byte，这是就是因为底层填充了2byte的内存空间：

Num bytes: 8

详解内存对齐

我们假设Num未进行内存填充的Num 结构体在内存分配为struct-2，在它的地址空间前方有一个struct-1，在多核CPU的64位操作系统下，数据都以一个字长即64bit加载，这就很可能导致一个完整的变量存在与不同的CPU核心中。
我们假设一种情况CPU-1操作struct-1，因为字长的原因导致加载数据时把struct-2的数据加载到CPU-1缓存中。同时CPU-2 Cache处理struct-2的业务逻辑，因为MESI协议，导致CPU-1中任何一个改动都会使得CPU-2缓存中的数据变成脏数据，出现缓存一致性问题。

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考虑到这个问题，go语言便在struct-1空间的结尾填充了18bit使得内存空间占满1个字长，保证每一个变量都能通过一个字长的单位读取到：

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内存对齐的工作机制

在进行不同的内存填充的时候，不同类型变量都着不同的对齐系数，例如布尔和int32对应的内存系统为1和4，以下图为例，布尔的对齐系统为1就意味着它的内存空间首地址能被1整除，所以我们分配为0x00，同理因为0x00被布尔占用，所以int32的内存空间地址分配到0x04，基于对齐系数这一计算可以确保了两个变量完整的占用了一个字长，且加载时能够保证每个字长加载的变量都是完整的，从而保证内存原子性：

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	// 不同类型对应的对齐系数
	fmt.Println("类型:", unsafe.Sizeof(false), " 对齐系数:", unsafe.Alignof(false))
	fmt.Println("类型:", unsafe.Sizeof(int32(1)), " 对齐系数:", unsafe.Alignof(int32(1)))
	fmt.Println("类型:", unsafe.Sizeof("hello"), " 对齐系数:", unsafe.Alignof("hello"))

对应输出结果:

类型: 1  对齐系数: 1
类型: 4  对齐系数: 4 
类型: 16  对齐系数: 8

结构体中的内存对齐

我们再来看看结构体中对于内存对齐的使用，我们给出下面这段代码示例：

type Obj struct {
	b   bool
	str string
	num int16
}

func main() {
	//输出其字节数
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(Obj{}))
}

这段代码输出结果为32字节，原因很简单，bool为1字节，填充首位。然后string为2字节即(16bit)对应对齐系数为8，所以占用0x08到0x24的内存空间，最后int16对齐系数为2，于是从0x26开始填充2字节，即占用0x26到0x28，最后补齐剩余的4个字节空间，由此得出32字节：

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这明显因为变量排序不当导致bool和string之间空出了很多的内存空间，所以我们不妨将后面两个变量的顺序调换一下：

type Obj struct {
	b   bool
	num int16
	str string
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(Obj{}))
}

最终输出结果变为24字节，因为int16对齐系统为2，所以bool之后空1格就可以完成对齐，随后移动4格保证字符串类型对齐，由此算出总空间为24字节，确保bool和int16用1个字长(64bit)，然后字符串用2个字长完成加载：

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空结构体内存对齐问题

基于上述的例子，我们在结构体末尾加上1个空结构体：

type Obj struct {
	b   bool
	num int16
	str string
	i   struct{}
}

func main() {
	//输出其字节数
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(Obj{}))
}

最终输出结果为32，我们都知道空值默认都用zero-base，为了保证空结构体的地址空间不被其他成员错误利用，go语言会针对这种情况对结构体尾部进行一个内存填充，确保地址空间大小为32字节(字长的整数倍)：

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小结

本文通过几个简单的示例结合图解介绍了go语言如何通过内存填充的方式解决内存原子性以及缓存一致性问题，我们来简单小结一下内存填充的几个要点:

通过对齐系数决定变量首地址值。
空结构体结尾需要填充空间避免地址复用异常。
整个结构体填充完成后需要保证是字长(64bit)的整数倍。

我是 sharkchili ，CSDN Java 领域博客专家，开源项目—JavaGuide contributor，我想写一些有意思的东西，希望对你有帮助，如果你想实时收到我写的硬核的文章也欢迎你关注我的公众号： 写代码的SharkChili 。
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