内存对齐

内存对齐

何为内存对齐

现代计算机中内存空间都是按照字节(byte)进行划分的,所以从理论上讲对于任何类型的变量访问都可以从任意地址开始,但是在实际情况中,在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问,所以这就需要把各种类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是按照顺序一个接一个的排放,这种就称为内存对齐,内存对齐是指首地址对齐,而不是说每个变量大小对齐。

为何要有内存对齐

主要原因可以归结为两点:

  • 有些CPU可以访问任意地址上的任意数据,而有些CPU只能在特定地址访问数据,因此不同硬件平台具有差异性,这样的代码就不具有移植性,如果在编译时,将分配的内存进行对齐,这就具有平台可以移植性了

  • CPU每次寻址都是要消费时间的,并且CPU 访问内存时,并不是逐个字节访问,而是以字长(word size)为单位访问,所以数据结构应该尽可能地在自然边界上对齐,如果访问未对齐的内存,处理器需要做两次内存访问,而对齐的内存访问仅需要一次访问,内存对齐后可以提升性能。举个例子:

假设当前CPU是32位的,并且没有内存对齐机制,数据可以任意存放,现在有一个int32变量占4byte,存放地址在0x00000002 – 0x00000005(纯假设地址,莫当真),这种情况下,每次取4字节的CPU第一次取到[0x00000000 – 0x00000003],只得到变量1/2的数据,所以还需要取第二次,为了得到一个int32类型的变量,需要访问两次内存并做拼接处理,影响性能。如果有内存对齐了,int32类型数据就会按照对齐规则在内存中,上面这个例子就会存在地址0x00000000处开始,那么处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了,而且不需要做额外的操作,使用空间换时间,提高了效率。

没有内存对齐机制:

内存对齐

内存对齐后:

内存对齐

对齐系数

每个特定平台上的编译器都有自己的默认”对齐系数”,常用平台默认对齐系数如下:

  • 32位系统对齐系数是4
  • 64位系统对齐系数是8

这只是默认对齐系数,实际上对齐系数我们是可以修改的,之前写C语言的朋友知道,可以通过预编译指令#pragma pack(n)来修改对齐系数,因为C语言是预处理器的,但是在Go语言中没有预处理器,只能通过tags和命名约定来让Go的包可以管理不同平台的代码,但是怎么修改对齐系数,感觉Go并没有开放这个参数,找了好久没有找到,等后面再仔细看看,找到了再来更新!

既然对齐系数无法更改,但是我们可以查看对齐系数,使用Go语言中的unsafe.Alignof可以返回相应类型的对齐系数,使用我的mac(64位)测试后发现,对齐系数都符合2^n这个规律,最大也不会超过8。

func main()  {
 fmt.Printf("string alignof is %d\n", unsafe.Alignof(string("a")))
 fmt.Printf("complex128 alignof is %d\n", unsafe.Alignof(complex128(0)))
 fmt.Printf("int alignof is %d\n", unsafe.Alignof(int(0)))
}
运行结果
string alignof is 8
complex128 alignof is 8
int alignof is 8

注意:不同硬件平台占用的大小和对齐值都可能是不一样的。

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