面试官：请说一下如何优化结构体的性能？

心已赠人 2024-03-26 18:30 51阅读 0赞

> 使用内存对齐机制优化结构体性能，妙啊！

### 前言 ###

之前分享过2篇结构体文章：  
[10秒改struct性能直接提升15%，产品姐姐都夸我好棒][10_struct_15] 和 [Go语言空结构体这3种妙用，你知道吗？][Go_3] 得到了大家的好评。

这篇继续分享进阶内容：

结构体的定义，大家都很熟悉，**想要定义出更节省内存空间的结构体**，可不是一件简单的事。

我们必须掌握**Go的结构体内存对齐机制**，才能做出相应的优化：**节省内存并提高性能。**

### 先来看个例子 ###

下面定义两个结构体，字段都一样，只是部分字段稍微调整了一下顺序。

但输出的结果却完全不同：一个顺序调整就节省了8个字节，太神奇了。

type BadSt struct {
        
      A int32
      B int64
      C bool
    }
    
    type GoodSt struct {
        
      A int32
      C bool
      B int64
    }
    
    func main() {
        
      bad := BadSt{
        A: 10, B: 20, C: false}
      fmt.Println(unsafe.Sizeof(bad))//输出结果：24
      good := GoodSt{
        A: 10, B: 20, C: false}
      fmt.Println(unsafe.Sizeof(good))//输出结果：16
    }

**为什么bad占用24字节，而good却只占用16字节呢**？

想要解开这个问题，我们得先来学习一下内存对齐机制，然后再来进一步分析。

### 原理讲解 ###

#### **基本概念** ####

为了能让CPU可以更快的存储、读取到各个字段，Go编译器会帮我们把结构体做数据的对齐。

所谓的数据对齐，是指内存地址的大小是所存储数据大小的整数倍（按字节为单位），以便CPU可以一次将该数据从内存中读取出来，减少了读取次数。

**编译器通过在结构体的各个字段之间填充一些空白，来达到对齐的目的**。

#### **CPU访问内存** ####

CPU 访问内存时，并不是逐个字节访问，而是**以机器字（word）为单位进行访问**。

比如 64位CPU的字长（word size）为8bytes，那么CPU访问内存的单位也是8字节，每次加载的内存数据也是固定的若干字长，如8words（64bytes）、16words(128bytes）等

#### **对齐系数** ####

**不同硬件平台占用的大小和对齐值都可能是不一样的**，每个特定平台上的编译器都有自己的默认"对齐系数"，**32位系统对齐系数是4，64位系统对齐系数是8**

不同类型的对齐系数也可能不一样，使用`Go`语言中的`unsafe.Alignof`函数可以返回相应类型的对齐系数，**对齐系数都符合`2^n`这个规律，最大也不会超过8**

func main() {
        
      fmt.Printf("bool:   %d\n", unsafe.Alignof(bool(true)))
      fmt.Printf("string: %d\n", unsafe.Alignof(string("a")))
      fmt.Printf("int:    %d\n", unsafe.Alignof(int(0)))
      fmt.Printf("int32:  %d\n", unsafe.Alignof(int32(0)))
      fmt.Printf("int64:  %d\n", unsafe.Alignof(int64(0)))
      fmt.Printf("float64:  %d\n", unsafe.Alignof(float64(0)))
      fmt.Printf("float32:%d\n", unsafe.Alignof(float32(0)))
    }
    //输出结果：
    //bool:   1
    //string: 8
    //int:    8
    //int32:  4
    //int64:  8
    //float64:8
    //float32:4

#### **对齐原则** ####

1.  结构体变量中成员的**偏移量必须是成员大小的整数倍**
2.  **整个结构体的内存大小必须是最大字节的整数倍**（结构体的内存占用是1/4/8/16byte…)

### 案例分析 ###

type BadSt struct {
        
      A int32
      B int64
      C bool
    }

#### **BadSt结构体，占用24个字节** ####

![5a18f2604bf1aa1d2eccc111f0d9b19f.png][]

分析过程：

1.  **字段A 4字节**：先计算偏移量，最开头下标为0，0%4=0，正好整除，先占用4个字节；
2.  **字段B 8字节**：下标4-7，对8都不能整除，则填充空白，下标8可以整除，所以下标8-15 8个字节为字段B的存储使用；
3.  **字段C 1字节**：下标16，对1可以整除，所以下标16则用作字段C的存储；
4.  **最后**，该结构体字段最大字节为8且目前已占用17字节，要保证是整数倍，所以最后面需要填充7个字节，占满24字节，才能满足条件（对齐原则2）。

--------------------

#### **GoodSt结构体，占用16个字节** ####

![e17d09d07df209cb7a25b98925ad0f5e.png][]

type GoodSt struct {
        
      A int32
      C bool
      B int64
    }

分析过程：

1.  **字段A 4字节**：先计算偏移量，最开头下标为0，0%4=0，正好整除，先占用4个字节；
2.  **字段C 1字节**：下标4，对1可以整除，所以下标4则用作字段C的存储；
3.  **字段B 8字节**：下标5-7，对8都不能整除，则填充空白，下标8可以整除，所以下标8-15 8个字节为字段B的存储使用；
4.  **最后**，该结构体字段最大字节为8且目前已占用16字节，正好是整数倍，所以后面不再需要填充空白了。

### 总结 ###

通过上文的原理讲解和案例分析，我们发现内存对齐机制并不复杂。

可以简单理解为：**将对齐系数小的字段，尽可能放在一起，尽量减少空白填充。**

掌握了内存对齐机制后，结构体Struct的优化，调整下字段顺序，效果立竿见影。**内存对齐其实就是典型的空间换时间的方式，来达到优化的目的。牢记对齐原则，对实际场景进行分析，减少空白填充**。

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[10_struct_15]: https://mp.weixin.qq.com/s/dvb76g64y4fo9dBu-Bdf3Q
[Go_3]: https://mp.weixin.qq.com/s/0C1JJiElxRT-Alx6aVnTtQ
[5a18f2604bf1aa1d2eccc111f0d9b19f.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/1b3b2e1ca7104c8d9ef2150f56604814.png
[e17d09d07df209cb7a25b98925ad0f5e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/3448ee37abae46f3b43cb907b10616d0.png
[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s/64eWxeB0xxA65HZc65axHQ
[Link 2]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNjM0MzQyNg==&mid=2247486565&idx=2&sn=76e0d850c0a7d2cfe398ca2c1391c4d9&chksm=e870a308df072a1e73c42f4cdb99a636614ad8eff839168fb1bc3241156899e2a9420ed4cea9&token=400433917&lang=zh_CN&scene=21#wechat_redirect