解析struct的内存布局

2023-11-16 22:59:15

解析struct的内存布局

在平时开发过程中，我们常用map[string]struct{}来实现一个Set，用struct{}的原因是struct{}不占用内存空间，为什么空struct会不占用内存空间？对于自定义的struct的内存空间的占用是什么样的？

struct的大小

struct和java中的对象类似，在内存中都是一块连续的空间，在java中，对象的引用其实就是一个对象在堆内存的内存地址起点，当访问第N个对象时，就是访问（起点地址 + 第N个对象的地址偏移量）位置，在go中原理也类似，go struct的大小就是由struct中的属性决定的，例如：

type A struct {
    x int8
    y int8
    z int8
}
var a A
fmt.Println(unsafe.Sizeof(a)) // 3

可以看到输出结果：3，表示一个a对象在内存中占用3个字节，此时的内存结构如下：

struct的内存对齐

我们稍微修改一下字段的类型，然后再看下结果

type B struct {
    x int8
    y int32
    z int8
}
var b B
fmt.Println(unsafe.Sizeof(b)) // 12

这里输出结果会是8，按上面的理解int32占用4个字节，再加上两个1字节的int8，应该输出6才对，这个就引出go中的内存对齐机制了：
在计算机中，cpu在访问内存时，每次访问的并不是一个字节，而是一个字（word），一个字的字长由cpu的位数决定，例如32位的cpu一个字长位32bit，也就是4个字节，64位的cpu一个字长64bit，也就是8个字节，go为了减少在访问对象时cpu与内存的交互次数，会在编译时按照一定的规则进行内存对齐，防止访问一个对象的属性需要经历两次总线周期。
假如上面的B对象如果是6字节，则内存结构如下：

看上图，此时的cpu字长位1字节，那么访问y对象需要cpu需要和内存打两次交道
所以go中进行内存对齐之后内存结构如下：

黄色部分为内存对齐部分，这样在访问属性y时，cpu就只需要对内存进行一次读取了。

struct的对齐规则

内置unsafe包的Sizeof函数用来获取一个变量的大小，另外还有内置unsafe包的Alignof函数可以来获取一个变量的对齐系数，例如：

var a A
fmt.Println(unsafe.Alignof(a.x)) // 1
fmt.Println(unsafe.Alignof(a.y)) // 4
fmt.Println(unsafe.Alignof(a.z)) // 1
fmt.Println(unsafe.Alignof(a)) // 4

具体规则如下：

对于任意类型的变量 x ，unsafe.Alignof(x) 至少为 1；
对于 struct 类型的变量 x，计算 x 每一个字段 f 的 unsafe.Alignof(x.f)，unsafe.Alignof(x) 等于其中的最大值；
对于 array 类型的变量 x，unsafe.Alignof(x) 等于构成数组的元素类型的对齐系数；
对齐系数必须是对象大小的整数倍，也就是说：在go中，对于任意对象a，等式unsafe.Sizeof(a) = X * unsafe.Aligof(a)必定成立
那有了这个等式，上面的对象B，X最小应该等于2，但是因为unsafe.Sizeof(b) = 12，所以X是等于3的，我们只需要调整一下字段顺序就可以将对象B占用的空间大小优化成8

type C struct {
    x int8
    z int8
    y int32
}
var c C
fmt.Println(unsafe.Sizeof(b)) // 8

此时的内存结构如下：

所以通过这个例子可以看出，合理的编排对象中属性的位置，可以减少对象的内存大小

嵌套struct

有了上面的基础，可以推断一下嵌套结构体和切片，数组的unsafe.Sizeof，unsafe.Aligniof大小，来练习一下

type D struct {
	x int
	a A
	b B
	arr [5]A
	sli []A
}

var d D
fmt.Println(unsafe.Alignof(d)) // 8
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d)) // 64
fmt.Println("---------")
fmt.Println(unsafe.Alignof(d.x)) // 8
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d.x)) // 8
fmt.Println("---------")
fmt.Println(unsafe.Alignof(d.a)) // 1
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d.a)) // 3
fmt.Println("---------")
fmt.Println(unsafe.Alignof(d.b)) // 4
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d.b)) // 12
fmt.Println("---------")
fmt.Println(unsafe.Alignof(d.arr)) // 1
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d.arr)) // 15
fmt.Println("---------")
fmt.Println(unsafe.Alignof(d.sli)) // 8
fmt.Println(unsafe.Sizeof(d.sli)) // 24

其中a + b 做了内存对齐，填充了两个字节，arr也做了内存对齐，填充了一个字节
这里为什么切片是24个字节呢，这个和切片的结构体有关，在runtime/slice.go中有对slice的定义：

这里的len和cap在64位的cpu上都是占用8个字节的，array是一个指向底层数组的指针，也是占用8个字节，所以加起来一共就是24个字节。

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struct的大小

struct的内存对齐

struct的对齐规则

嵌套struct

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