Dig101：Go 之聊聊 struct 的内存对齐

Dig101: dig more, simplified more and know more

经过前边几篇文章，相信你也发现了，struct 几乎无处不在。
string，slice 和 map 底层都用到了 struct。
今天我们来重点关注下 struct 的内存对齐，
理解它，对更好的运用 struct 和读懂一些源码库的实现会有很大的帮助。

文章目录

• 0x01 为什么要对齐
• 0x02 数据结构对齐
• 大小保证（size guarantee）
• 对齐保证（align guarantee）
• 0x03 零大小字段对齐
• 0x04 内存地址对齐
• 0x05 64 位字安全访问保证
• 为什么要保证
• 怎么保证
• 改为加锁

在此之前，我们先明确几个术语，便于后续分析 (参见维基百科 – 字)。

• 字（word）

是用于表示其自然的数据单位，也叫 machine word
。字是电脑用来一次性处理事务的一个固定长度。

• 字长

一个字的位数（即字长）。

现代电脑的字长通常为 16、32、64 位。（一般 N 位系统的字长是 N/8
字节。）
电脑中大多数寄存器的大小是一个字长。CPU 和内存之间的数据传送单位也通常是一个字长。还有而内存中用于指明一个存储位置的地址也经常是以字长为单位。

0x01 为什么要对齐

简单来说，操作系统的 cpu 不是一个字节一个字节访问内存的，是按 2,4,8 这样的字长来访问的。
所以当处理器从存储器子系统读取数据至寄存器，或者，写寄存器数据到存储器，传送的数据长度通常是字长。
如 32 位系统访问粒度是 4 字节（bytes），64 位系统的是 8 字节。

当被访问的数据长度为 n
字节且该数据地址为 n
字节对齐，那么操作系统就可以一次定位到数据，这样会更加高效。无需多次读取、处理对齐运算等额外操作。

0x02 数据结构对齐

我们先看下基础数据结构的大小定义

大小保证（size guarantee）

如 Go 官方的文档 size and alignment guarantees
^[1]
所示：

A struct or array type has size zero if it contains no fields (or elements, respectively) that have a size greater than zero. Two distinct zero-size variables may have the same address in memory.

struct{}
和 [0]T{}
的大小为 0; 不同的大小为 0 的变量可能指向同一块地址。

对齐保证（align guarantee）

• For a variable x of any type: unsafe.Alignof(x) is at least 1.
• For a variable x of struct type: unsafe.Alignof(x) is the largest of all the values unsafe.Alignof(x.f) for each field f of x, but at least 1.
• For a variable x of array type: unsafe.Alignof(x) is the same as the alignment of a variable of the array’s element type.

对这段描述翻译到对应类型的对齐就是下表

参考 go101-memory layout
^[2]

这里机器字（machine word）对应的大小, 在 32 位系统上是 4bytes，64 位系统上是 8bytes
下面代码验证下：

type T1 struct {
    a [2]int8
    b int64
    c int16
}
type T2 struct {
    a [2]int8
    c int16
    b int64
}
fmt.Printf("arrange fields to reduce size:\n"+
    "T1 align: %d, size: %d\n"+
    "T2 align: %d, size: %d\n",
    unsafe.Alignof(T1{}), unsafe.Sizeof(T1{}),
    unsafe.Alignof(T2{}), unsafe.Sizeof(T2{}))
/*
output:
arrange fields to reduce size:
T1 align: 8, size: 24
T2 align: 8, size: 16
*/

以 64 位系统为例，分析如下：

T1,T2
内字段最大的都是 int64
, 大小为 8bytes，对齐按机器字确定，64 位下是 8bytes，所以将按 8bytes 对齐

T1.a
大小 2bytes,填充 6bytes 使对齐（后边字段已对齐，所以直接填充）

T1.b
大小 8bytes,已对齐

T1.c
大小 2bytes，填充 6bytes 使对齐（后边无字段，所以直接填充）

总大小为 8+8+8=24

T2
中将 c
提前后， a
和 c
总大小 4bytes,在填充 4bytes 使对齐

总大小为 8+8=16

所以，合理重排字段可以减少填充，使 struct 字段排列更紧密

0x03 零大小字段对齐

零大小字段（ zero sized field
）是指 struct{}
,

大小为 0，按理作为字段时不需要对齐，但当在作为结构体最后一个字段（ final field
）时需要对齐的。
为什么？

因为，如果有指针指向这个 final zero field
, 返回的地址将在结构体之外（即指向了别的内存），
如果此指针一直存活不释放对应的内存，就会有内存泄露的问题（该内存不因结构体释放而释放）

所以，Go 就对这种 final zero field
也做了填充，使对齐。
代码验证如下：

type T1 struct {
    a struct{}
    x int64
}

type T2 struct {
    x int64
    a struct{}
}
a1 := T1{}
a2 := T2{}
fmt.Printf("zero size struct{} in field:\n"+
    "T1 (not as final field) size: %d\n"+
    "T2 (as final field) size: %d\n",
    // 8
    unsafe.Sizeof(a1),
    // 64位：16；32位：12
    unsafe.Sizeof(a2))

0x04 内存地址对齐

从 unsafe 包规范
^[3]
中，有如下说明：

Computer architectures may require memory addresses to be aligned; that is, for addresses of a variable to be a multiple of a factor, the variable's type's alignment. The function Alignof takes an expression denoting a variable of any type and returns the alignment of the (type of the) variable in bytes.
For a variable x:
uintptr(unsafe.Pointer(&x)) % unsafe.Alignof(x) == 0

大致意思就是，如果类型 t
的对齐保证是 n
，那么类型 t
的每个值的地址在运行时必须是 n
的倍数。

这一点在 sync.WaitGroup
有很好的应用：

type WaitGroup struct {
  noCopy noCopy
  state1 [3]uint32
}

// state returns pointers to the state and sema fields stored within wg.state1.func (wg *WaitGroup) state() (statep *uint64, semap *uint32) {
  // 判定地址是否8位对齐ifuintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 {
    // 前8bytes做uint64指针statep，后4bytes做semareturn (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2]
  } else {
    // 后8bytes做uint64指针statep，前4bytes做semareturn (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1[1])), &wg.state1[0]
  }
}

重点是 WaitGroup.state1
这个字段，

我们知道 uint64
的对齐是由机器字决定，32 位系统是 4bytes，64 位系统是 8bytes

为保证在 32 位系统上，也可以返回一个 64 位对齐（ 8bytes aligned
）的指针（ *uint64
）

就巧妙的使用了 [3]uint32
。

首先在 64 位系统和 32 位系统上， uint32
能保证是 4bytes 对齐

即 state1
地址是 4N: uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%4 == 0

而为保证 8 位对齐，我们只需要判断 state1
地址是否为 8 的倍数

• 如果是（N 为偶数），那前 8bytes 就是 64 位对齐
• 否则（N 为奇数），那后 8bytes 是 64 位对齐

而且剩余的 4bytes 可以给 sema
字段用，也不浪费内存

可是为什么要在 32 位系统上也要保证一个 64 位对齐的 uint64
指针呢?
答案是，为了保证在 32 位系统上也能原子访问 64 位对齐的 64 位字。我们下边来详细看下。

0x05 64 位字安全访问保证

在 atomic-bug
^[4]
中提到：

On x86-32, the 64-bit functions use instructions unavailable before the Pentium MMX. 
On non-Linux ARM, the 64-bit functions use instructions unavailable before the ARMv6k core.
On ARM, x86-32, and 32-bit MIPS, it is the caller's responsibility to arrange for 64-bit alignment of 64-bit words accessed atomically. The first word in a variable or in an allocated struct, array, or slice can be relied upon to be 64-bit aligned.

大致意思是，在 32 位系统上想要原子操作 64 位字（如 uint64）的话，需要由调用方保证其数据地址是 64 位对齐的，否则原子访问会有异常。
为什么呢？

为什么要保证

这里简单分析如下：

还拿 uint64
来说，大小为 8bytes，32 位系统上按 4bytes 对齐，64 位系统上按 8bytes 对齐。
在 64 位系统上，8bytes 刚好和其字长相同，所以可以一次完成原子的访问，不被其他操作影响或打断。

而 32 位系统，4byte 对齐，字长也为 4bytes，可能出现 uint64
的数据分布在 两个数据块
中，需要两次操作才能完成访问。
如果两次操作中间有可能别其他操作修改，不能保证原子性。
这样的访问方式也是不安全的。

这一点 issue-6404
^[5]
中也有提到：

This is because the int64 is not aligned following the bool. It is 32-bit aligned but not 64-bit aligned, because we're on a 32-bit system so it's really just two 32-bit values side by side.

怎么保证

The first word in a variable or in an allocated struct, array, or slice can be relied upon to be 64-bit aligned.

变量或开辟的结构体、数组和切片值中的第一个 64 位字可以被认为是 8 字节对齐

这一句中 开辟
的意思是通过声明，make，new 方式创建的，就是说这样创建的 64 位字可以保证是 64 位对齐的。
但还是比较抽象，我们举例分析下
32 位系统下可原子安全访问的 64 位字有：

• 64 位字本身

// GOARCH=386 go run types/struct/struct.govar c0 int64
fmt.Println("64位字本身：",
    atomic.AddInt64(&c0, 1))

• 64 位字数组、切片

c1 := [5]int64{}
fmt.Println("64位字数组、切片:",
    atomic.AddInt64(&c1[:][0], 1))

• 结构体首字段为对齐的 64 位字及相邻的 64 位字

c2 := struct {
    val   int64// pos 0
    val2  int64// pos 8
    valid bool// pos 16
}{}
fmt.Println("结构体首字段为对齐的64位字及相邻的64位字:",
    atomic.AddInt64(&c2.val, 1),
    atomic.AddInt64(&c2.val2, 1))

• 结构体中首字段为嵌套结构体，且其首元素为 64 位字

type T struct {
    val2 int64
    _    int16
}
c3 := struct {
    val   T
    valid bool
}{}
fmt.Println("结构体中首字段为嵌套结构体，且其首元素为64位字:",
    atomic.AddInt64(&c3.val.val2, 1))

• 结构体增加填充使对齐的 64 位字

c4 := struct {
    val   int64// pos 0
    valid bool// pos 8// 或者 _ uint32// 使32位系统上多填充 4bytes
    _     [4]byte// pos 9
    val2  int64// pos 16
}{}
fmt.Println("结构体增加填充使对齐的64位字:",
    atomic.AddInt64(&c4.val2, 1))

• 结构体中 64 位字切片

c5 := struct {
    val   int64
    valid bool
    val2 []int64
}{val2: []int64{0}}
fmt.Println("结构体中64位字切片:",
    atomic.AddInt64(&c5.val2[0], 1))

The first element in slices of 64-bit elements will be correctly aligned

此处切片相当指针，数据是指向底层堆上开辟的 64 位字数组，如 c1
如果换成数组则会 panic，
因为结构体的数组的对齐还是依赖于结构体内字段

c51 := struct {
  val   int64
  valid bool
  val2  [3]int64
}{val2: [3]int64{0}}
// will panic
atomic.AddInt64(&c51.val2[0], 1)

• 结构体中 64 位字指针

c6 := struct {
    val   int64
    valid bool
    val2  *int64
}{val2: new(int64)}
fmt.Println("结构体中64位字指针:",
    atomic.AddInt64(c6.val2, 1))

改为加锁

是不是有些复杂，要在 32 位系统上保证 8bytes 对齐的 64 位字, 确实不是很方便

当然也可以选择不使用原子访问( atomic
)，用加锁( mutex
)的方式避免此 bug

c := struct{
    val int16
    val2 int64
}{}
var mu sync.Mutex
mu.Lock()
c.val2 += 1
mu.Unlock()

最后，其实前边 WaitGroup.state1
那样保证 8bytes 对齐还有有个有点点没有分析：

就是为啥 state 原子访问不直接用 uint64
，并使用上边提到的 64 位字对齐保证?

答案相信你也想到了：如果 WaitGroup
嵌套到别的结构体时，如果不放到结构体首位会有问题， 这会使其使用受限。
总结一下:

• 内存对齐是为了 cpu 更高效访问内存中数据

• struct 的对齐是：如果类型 t 的对齐保证是 n，那么类型 t 的每个值的 地址
  在运行时必须是 n 的倍数。

即 uintptr(unsafe.Pointer(&x)) % unsafe.Alignof(x) == 0

• struct 内字段如果填充过多，可以尝试重排，使字段排列更紧密，减少内存浪费
• 零大小字段要避免作为 struct 最后一个字段，会有内存浪费
• 32 位系统上对 64 位字的原子访问要保证其是 8bytes 对齐的；当然如果不必要的话，还是用加锁（ mutex
  ）的方式更清晰简单

再推荐一个工具包： dominikh/go-tools
^[6]
，里边 structlayout, structlayout-optimize, structlayout-pretty 三个工具比较有意思

本文代码见 NewbMiao/Dig101-Go
^[7]

See More: Golang 是否有必要内存对齐？
^[8]

参考资料