当前位置：首页 > article >正文

几种编程语言之结构体内存对齐

article 2024/11/19 3:35:28

写在前面

计算机的内存空间是以 byte 来划分，因此我们可以简单的认为不同的数据类型，就占有相应大小的内存空间，但实际此举会为内存的访问带来效率上的问题。实际内存访问是会以一个固定字长来开始访问，而这样就会产生一个问题，有些数据类型的字长会大于或小于这个固定字长。
为了解决这个问题，不同的编译器会对不同的数据类型做一些规定，会分两步走：一个是每个数据类型所占的空间，应该是某个字节数的整数倍；另一个是如果实际类型变量所占的空间达不到规定的大小，就会做填充，使其符合。这个过程就是内存对齐。

内容

可以从 Go 语言里看一个例子：

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type demo1 struct {
	a int8
	b int16
	c int32
}

type demo2 struct {
	a int8
	c int32
	b int16
}

func main() {
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo1{})) // 8
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo2{})) // 12
}

可以看到，两个结构体里的属性其实是一样的，只是它们的顺序有所不同，导致打印出来的 size 也不同。那为什么呢？
以 demo1 为例，第一个变量类型为 int8，所占为 1 个字节，编译器规定为 1 的倍数，而它也是第一个，从下标为0的偏移量开始，所以无需对齐。
第二个变量 int16，规定对齐倍数是2，故需要在下标偏移量为2的地方开始，并且占2个字节，它前面的偏移量1会留空填充。
第三个变量 int32，规定对齐倍数是4，故需要在下标偏移量为4的地方开始，并且占4个字节。
因此 demo1 所占的空间为 1 + 1 + 2 + 4 = 8 个字节。
而 demo2 里，同样第一个变量类型为 int8，所占为 1 个字节，编译器规定为 1 的倍数，而它也是第一个，从下标为0的偏移量开始，所以无需对齐。
第二个变量 int32，规定对齐倍数是4，故需要在下标偏移量为4的地方开始，并且占4个字节。故前面的1、2、3会作为留空填充。
第三个变量 int16，规定对齐倍数是2，故需要在下标偏移量为8的地方开始，并且占2个字节。
因此似乎 demo2 所占的空间为 1 + 3 + 4 + 2 = 10 个字节。

这里就需要引入另外一个东西 unsafe.Alignof：

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type demo1 struct {
	a int8
	b int16
	c int32
}

type demo2 struct {
	a int8
	c int32
	b int16
}

func main() {

	fmt.Println(unsafe.Alignof(demo1{})) // 4
	fmt.Println(unsafe.Alignof(demo2{})) // 4
}

这个东西叫对齐保证，因为这里我们要处理的是 demo1、demo2 这一整个的特定类型，通过对齐保证，我们可以得到一个数字，这个数字告诉我们，这个特定类型实际所占的空间，将会是这个数字的整数倍。
由于demo1 的对齐保证是4，刚好里面的各个属性的空间+对齐空间为8字节，为4的整数倍。
而 demo2 的对齐保证也是4，但里面各个属性的空间+对齐空间为10字节，不是4的整数倍，故最后一个 int16 类型的变量，需要再填充对齐2个字节，使得实际是12个字节，为4的整数倍。

在C语言里也有类似的例子：

#include <stdio.h>

typedef struct t1{
    char x;
    int y;
    double z;
}T1;

typedef struct t2{
    char x;
    double z;
    int y;
}T2;

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("sizeof(T1) = %lu\n", sizeof(T1)); // 16
    printf("sizeof(T2) = %lu\n", sizeof(T2)); // 24

    return 0;
}