面试官:请说一下如何优化结构体的性能?
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 和 Go语言空结构体这3种妙用,你知道吗? 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。
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
对齐原则
结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍
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
BadSt 结构体,占用 24 个字节
分析过程:
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;
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;
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;
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
分析过程:
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;
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;
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;
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。
一起学习
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