golang内存对齐

内存对齐的概念

为了减少cpu的访存次数，提高cpu的吞吐量，cpu并不会逐个字节的访问内存，而是以机器字/字长（word size）为单位访问。比如 64 位架构的 CPU ，字长为 8 字节(8B)，那么 CPU 访问内存的单位也是 8 字节。但是，如果被访问的数据在内存中的起始地址不是字长的倍数的话，反而有可能增加cpu的访存次数

内存对齐说白了就是给数据分配一个合理的起始地址，比如在64位系统中给int64类型的值分配的内存块起始地址就必须是字长的整数倍，才能保证cpu一次访存就能取出该类型对应值。

比如这个值的起始地址为0（8的倍数），那么它恰好就能被cpu的一次访问就全部取出：

如果这个值所在的起始地址为1（不是8的倍数），那么cpu需要两次访问内存才能将这个值取出。第一次先取这个值的低7个byte，即第1byte到第7byte，第二次再取第8byte，这等于是白白的浪费掉了一倍的cpu性能:

内存对齐实现方式

对齐值/对齐边界

先看下golang里各数据类型的占用内存的大小，以64位系统为例：

类型	内存占用（字节）	对齐值
bool	1	1
int/uinit	8	8
int8	1	1
int16	2	4
int32	4	8
int64	8	8
string	16	8
[]T	24	8
map	8	8
chan	8	8
func	8	8
interface	16	8

• 通过unsafe.Sizeof可以查看变量占用的内存大小
• 通过unsafe.Alignof可以查看变量的对齐值，最大不超过一个机器字
• 通过unsafe.Offsetof可以查看变量在内存中其实的偏移量

示例

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type X struct {
	a bool
	b int16
	c []int
}

func main() {
	var x = X{
		true,
		1,
		[]int{1, 2, 3},
	}
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(x))   // 32
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(x.a)) // 1
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(x.b)) // 2
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(x.c)) // 24
	fmt.Println("alignof")
	fmt.Println(unsafe.Alignof(x.a)) // 1
	fmt.Println(unsafe.Alignof(x.b)) // 2
	fmt.Println(unsafe.Alignof(x.c)) // 8
	fmt.Println("offsetof")
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.a)) // 0
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.b)) // 2
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.c)) // 8
}

问：unsafe.Sizeof(x)的返回值是多少？

如果根据基础数据类型的大小我们可以知道x的大小应该是sizeof(a) + sizeof(b) + sizeof(c) = 1 + 2 + 24 = 27，但是由于内存对齐的存在其实答案应该是8+ 24 = 32，如下图所示：

struct的内存对齐

如果改变struct中字段的顺序，那么内存分配肯能会不一样，比如改成这样：

type X struct {
	a bool
	b []int
	c int16
}

内存中的分配如下：

可以看到内存占用变成40了。

伪共享False Sharing

cpu在处理内存中的数据时，为了匹配内存的速度差异，都会使用缓存技术，cpu现从缓存中读取数据，如果没有则从内存中读取。以cacheline为例，它有以下特性：

• 在cpu的Cache中数据是以缓存行（CacheLine）为单位进行存储的

• cpu取缓存都是按照一行为最小单位操作的

• 在64位cpu中Cacheline的大小为64byte

现在假设这样一个场景：

变量a和b都分配在一个cacheline中，此时有两个协程同时修改这两个变量，协程1对应的cpu1处理变量

a，协程2对应的cpu2处理变量b，这两个cpu将会同时去覆盖刷新 CacheLine，造成 Cacheline 的反复失效，那 CPU Cache 将失去了作用

解决方法

为了解决这个问题，可以使用填充技术，使变量尽量单独分配到一个cacheline中，而不用和其他变量共享，比如sync.pool中的实现：

type poolLocal struct {
    poolLocalInternal

    // Prevents false sharing on widespread platforms with
    // 128 mod (cache line size) = 0 .
    pad [128 - unsafe.Sizeof(poolLocalInternal{})%128]byte
}

为了防止出现 false sharing 问题，主动使用 pad 的方式凑齐 128 个 byte，这样就不会和其他 P 的 poolLocal 共享一套 CacheLine。