原创分享 Dig101:Go 之聊聊 struct 的内存对齐

newbmiao · 2020年02月14日 · 99 次阅读

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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。

  • 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。

参见维基百科中

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所示:

type size in bytes
byte, uint8, int8 1
uint16, int16 2
uint32, int32, float32 4
uint64, int64, float64, complex64 8
complex128 16

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{}[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

type alignment guarantee
bool, byte, uint8, int8 1
uint16, int16 2
uint32, int32 4
float32, complex64 4
arrays 由其元素(element)类型决定
structs 由其字段(field)类型决定
other types 一个机器字(machine word)的大小

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,ac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

unsafe 包规范中,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
  if uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 {
    // 前8bytes做uint64指针statep,后4bytes做sema
    return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2]
  } else {
    // 后8bytes做uint64指针statep,前4bytes做sema
    return (*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

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

atomic-bug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.go
var 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。

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

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

本文代码见 NewbMiao/Dig101-Go

See more: Golang 是否有必要内存对齐?

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newbmiao 2020 做个 Dig101-Go 系列吧!(持续更新中...) 中提及了此贴 02月14日 22:37
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