Go语言中恰到好处的内存对齐

Python013

Go语言中恰到好处的内存对齐,第1张

在开始之前,希望你计算一下 Part1 共占用的大小是多少呢?

输出结果:

这么一算, Part1 这一个结构体的占用内存大小为 1+4+1+8+1 = 15 个字节。相信有的小伙伴是这么算的,看上去也没什么毛病

真实情况是怎么样的呢?我们实际调用看看,如下:

输出结果:

最终输出为占用 32 个字节。这与前面所预期的结果完全不一样。这充分地说明了先前的计算方式是错误的。为什么呢?

在这里要提到 “内存对齐” 这一概念,才能够用正确的姿势去计算,接下来我们详细的讲讲它是什么

有的小伙伴可能会认为内存读取,就是一个简单的字节数组摆放

上图表示一个坑一个萝卜的内存读取方式。但实际上 CPU 并不会以一个一个字节去读取和写入内存。相反 CPU 读取内存是 一块一块读取 的,块的大小可以为 2、4、6、8、16 字节等大小。块大小我们称其为 内存访问粒度 。如下图:

在样例中,假设访问粒度为 4。 CPU 是以每 4 个字节大小的访问粒度去读取和写入内存的。这才是正确的姿势

另外作为一个工程师,你也很有必要学习这块知识点哦 :)

在上图中,假设从 Index 1 开始读取,将会出现很崩溃的问题。因为它的内存访问边界是不对齐的。因此 CPU 会做一些额外的处理工作。如下:

从上述流程可得出,不做 “内存对齐” 是一件有点 "麻烦" 的事。因为它会增加许多耗费时间的动作

而假设做了内存对齐,从 Index 0 开始读取 4 个字节,只需要读取一次,也不需要额外的运算。这显然高效很多,是标准的 空间换时间 做法

在不同平台上的编译器都有自己默认的 “对齐系数”,可通过预编译命令 #pragma pack(n) 进行变更,n 就是代指 “对齐系数”。一般来讲,我们常用的平台的系数如下:

另外要注意,不同硬件平台占用的大小和对齐值都可能是不一样的。因此本文的值不是唯一的,调试的时候需按本机的实际情况考虑

输出结果:

在 Go 中可以调用 unsafe.Alignof 来返回相应类型的对齐系数。通过观察输出结果,可得知基本都是 2^n ,最大也不会超过 8。这是因为我手提(64 位)编译器默认对齐系数是 8,因此最大值不会超过这个数

在上小节中,提到了结构体中的成员变量要做字节对齐。那么想当然身为最终结果的结构体,也是需要做字节对齐的

接下来我们一起分析一下,“它” 到底经历了些什么,影响了 “预期” 结果

在每个成员变量进行对齐后,根据规则 2,整个结构体本身也要进行字节对齐,因为可发现它可能并不是 2^n ,不是偶数倍。显然不符合对齐的规则

根据规则 2,可得出对齐值为 8。现在的偏移量为 25,不是 8 的整倍数。因此确定偏移量为 32。对结构体进行对齐

Part1 内存布局:axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd|exxx|xxxx

通过本节的分析,可得知先前的 “推算” 为什么错误?

是因为实际内存管理并非 “一个萝卜一个坑” 的思想。而是一块一块。通过空间换时间(效率)的思想来完成这块读取、写入。另外也需要兼顾不同平台的内存操作情况

在上一小节,可得知根据成员变量的类型不同,其结构体的内存会产生对齐等动作。那假设字段顺序不同,会不会有什么变化呢?我们一起来试试吧 :-)

输出结果:

通过结果可以惊喜的发现,只是 “简单” 对成员变量的字段顺序进行改变,就改变了结构体占用大小

接下来我们一起剖析一下 Part2 ,看看它的内部到底和上一位之间有什么区别,才导致了这样的结果?

符合规则 2,不需要额外对齐

Part2 内存布局:ecax|bbbb|dddd|dddd

通过对比 Part1 和 Part2 的内存布局,你会发现两者有很大的不同。如下:

仔细一看, Part1 存在许多 Padding。显然它占据了不少空间,那么 Padding 是怎么出现的呢?

通过本文的介绍,可得知是由于不同类型导致需要进行字节对齐,以此保证内存的访问边界

那么也不难理解,为什么 调整结构体内成员变量的字段顺序 就能达到缩小结构体占用大小的疑问了,是因为巧妙地减少了 Padding 的存在。让它们更 “紧凑” 了。这一点对于加深 Go 的内存布局印象和大对象的优化非常有帮

衍生类型,interface{} , map, [] ,struct等

map类似于java的hashmap,python的dict,php的hash array。

常规的for循环,可以用for k,v :=range m {}. 但在下面清空有一个坑注意:

著名的map[string]*struct 副本问题

结果:

Go 中不存在引用传递,所有的参数传递都是值传递,而map是等同于指针类型的,所以在把map变量传递给函数时,函数对map的修改,也会实质改变map的值。

slice类似于其他语言的数组(list,array),slice初始化和map一样,这里不在重复

除了Pointer数组外,len表示使用长度,cap是总容量,make([]int, len, cap)可以预申请 比较大的容量,这样可以减少容量拓展的消耗,前提是要用到。

cap是计算切片容量,len是计算变量长度的,两者不一样。具体例子如下:

结果:

分析:cap是计算当前slice已分配的容量大小,采用的是预分配的伙伴算法(当容量满时,拓展分配一倍的容量)。

append是slice非常常用的函数,用于添加数据到slice中,但如果使用不好,会有下面的问题:

预期是[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10], [1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12],但实际结果是:

注意slice是值传递,修改一下:

输出如下:

== 只能用于判断常规数据类型,无法使用用于slice和map判断,用于判断map和slice可以使用reflect.DeepEqual,这个函数用了递归来判断每层的k,v是否一致。

当然还有其他方式,比如转换成json,但小心有一些异常的bug,比如html编码,具体这个json问题,待后面在分析。

Go中数值类型可细分为整数、浮点数、复数三种,每种都具有不同的大小范围和正负支持。

整型分为两大类

Go提供了有符号和无符号的整数类型,同时提供四种大小不同的整数类型。

取值范围

等价类型

特殊整型

int 和 uint 分别对应特定CPU平台的字长(机器字大小),大小范围在 32bit 或 64bit 之间变化,实际开发中由于编译器和硬件不同而不同。

进制转换

转换函数

使用注意

字节长度

Golang提供了两种精度的浮点数分别为 float32 和 float64 ,它们的算术规范由IEEE754浮点数国际标准定义,IEEE754浮点数标准被现代CPU支持。

float32 类型的浮点数可提供约6个十进制数的精度, float64 类型的浮点数可提供约15个十进制数的精度。通常会优先选择使用 float64 ,因为 float32 累计计算误差会比较容易扩散。

计算机中复数(complex)由两个浮点数表示,一个表示实部(real)一个表示虚部(imag)。

Go语言中复数的值由三部分组成 RE + IMi ,分别是实数部分 RE 、虚数部分 IM 、虚数单位 i , RE 和 IM 均为 float 。

Go语言提供两种类型的复数,分别是 complex64 即32位实数和虚数, complex128 即64位实数和虚数, complex128 为复数的默认类型。

复数声明

z 表示复数的变量名, complex128 表示复数类型, complex() 内置函数用于为复数赋值。 x 和 y 分别表示构成该复数的两个 float64 类型的值, x 为实部, y 为虚部。

简写形式

对于 z 值可通过内置函数 real(z) 获取该复数的实部,使用 imag(z) 获取虚部。