Go的内存对齐和指针运算详解和实践

uintptr 和 unsafe普及

uintptr

在Go的源码中uintptr的定义如下：

/* uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of any pointer.
从英文注释可以看出 uintptr是一个整形，它的大小能够容纳任何指针的位模式，它是无符号的，最大值为：18446744073709551615，怎么来的，int64最大值 * 2 +1  
*/
type uintptr uintptr

位模式：内存由字节组成.每个字节由8位bit组成,每个bit状态只能是0或1.所谓位模式,就是变量所占用内存的所有bit的状态的序列
指针大小：一个指针的大小是多少呢？在32位操作系统上，指针大小是4个字节，在64位操作系统上，指针的大小是8字节，
所以uintptr能够容纳任何指针的位模式，总的说uintptr表示的指针地址的值，可以用来进行数值计算
GC不会把uintptr当作指针，uintptr不会持有一个对象，uintptr类型的目标会被GC回收

unasfe

在Go中，unsafe是一个包，内容也比较简短，但注释非常多，这个包主要是用来在一些底层编程中，让你能够操作内存地址计算，也就是说Go本身是不支持指针运算，但还是留了一个后门，而且Go也不建议研发人员直接使用unsafe包的方法，因为它绕过了Go的内存安全原则，是不安全的，容易使你的程序出现莫名其妙的问题，不利于程序的扩展与维护但为什么说它呢，因为很多框架包括SDK中的源代码都用到了这个包的知识，在看源代码时这块不懂，容易懵。下面看看这个包定义了什么？

//ArbitraryType的类型也是int，但它被赋予特殊的含义，代表一个Go的任意表达式类型
type ArbitraryType int

//Pointer是一个int指针类型，在Go种，它是所有指针类型的父类型，也就是说所有的指针类型都可以转化为Pointer, uintptr和Pointer可以相互转化
type Pointer *ArbitraryType

//返回指针变量在内存中占用的字节数(记住，不是变量对应的值占用的字节数)
func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr

/*Offsetof返回变量指定属性的偏移量，这个函数虽然接收的是任何类型的变量，但是有一个前提，就是变量要是一个struct类型，且还不能直接将这个struct类型的变量当作参数，只能将这个struct类型变量的属性当作参数*/
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr

//返回变量对齐字节数量
func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

什么是内存对齐?为什么要内存对齐?

在我了解比较深入的语言中（Java Go）都有内存对齐的概念，百度百科对内存对齐的概念是这样定义的：“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上，所谓的数据单元其实就是变量的值。

为什么要内存对齐呢？

1. 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常（32位平台上运行64位平台上编译的程序要求必须8字节对齐，否则发生panic）
2. 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问

对齐规则：也就是对齐的边界，多少个字节内存对齐，在32位操作系统上，是4个自己，在64位操作系统上是8个字节

通过一幅图来理解上面的内容,下图只是举个例子，位数并没有画全

指针运算和内存对齐实践

内存对齐实践

理论总是枯燥的，但必须了解，也许看了理论还是不懂，接下来通过实践让你明白

//创建一个变量
var i int8 = 10

//建一个变量转化成Pointer 和 uintptr
p := unsafe.Pointer(&i) //入参必须是指针类型的
fmt.Println(p) //是内存地址0xc0000182da
u := uintptr(i)
fmt.Println(u) //结果就是10

//Pointer转换成uintptr
temp := uintptr(p)
//uintptr转Pointer
p= unsafe.Pointer(u)

//获取指针大小
u = unsafe.Sizeof(p) //传入指针，获取的是指针的大小
fmt.Println(u) // 打印u是：8
 //获取的是变量的大小
u = unsafe.Sizeof(i)
fmt.Println(u) //打印u是：1

//创建两个个结构体
type Person1 struct{
    a bool
    b int64
    c int8
    d string
}
type Person2 struct{
    b int64
    c int8
    a bool
    d string
}
//接下来演示一下内存对齐,猜一猜下面l两个打印值是多少呢?
person1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
fmt.Println(unsafe.Sizeof(person1))
person2 := Person2{b:1,c:1,a:true,d:"spw"}
fmt.Println(unsafe.Sizeof(person2))
//第一个结果是40,第二个结果是32，为什么会有这些差距呢？其实就是内存对齐做的鬼，我来详细解释一下

我们知道在Person1和Person2种变量类型都一样，只是顺序不太一样，
bool占1个字节，
int64占8个字节，
int8占一个字节，
string占用16个字节，
总的结果应该是 1+8+1+16= 26，为啥Person1是40呢，Person2是32，看下图

根据上图，我们就明白了，在结构体编写中存在内存对齐的概念，而且我们应该小心，尽可能的避免因内存对齐导致结构体大小增大，在书写过程中应该让小字节的变量挨着。我们可以工具进行检测（golangci-lint）。

我们可以通过func Alignof(x ArbitraryType) uintptr这个方法返回内存对齐的字节数量，如下代码

type Person1 struct{
    a bool
    b int64
    c int8
    d string
}
p := Person{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
fmt.Println(unsafe.Alignof(person))
type Person2 struct{
    a bool
    c int8
}
p1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
fmt.Println(unsafe.Alignof(p1))
p2 := Person2{a:true,c:1}
fmt.Println(unsafe.Alignof(p2))
//你任务上面两个println打印多少呢？结果是8，1，在结构体中，内存对齐是按照结构体中最大字节数对齐的(但不会超过8)

指针运算实践

我们还是用代码来举例说明

type W struct {
   b int32
   c int64
}
var w *W = new(W)
//这时w的变量打印出来都是默认值0，0
fmt.Println(w.b,w.c)

//现在我们通过指针运算给b变量赋值为10
b := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(w)) + unsafe.Offsetof(w.b))
*((*int)(b)) = 10
//此时结果就变成了10，0
fmt.Println(w.b,w.c)

解释一下上面的代码
uintptr(unsafe.Pointer(w))获取了w的指针起始值，
unsafe.Offsetof(w.b) 获取b变量的偏移量
两个相加就得到了b的地址值，将通用指针Pointer转换成具体指针((*int)(b))，通过 * 符号取值，然后赋值，((int)(b)) 相当于把（*int） 转换成 int了，最后对变量重新赋值成10，这样指针运算就完成了。