1.为什么需要内存对齐

CPU 访问内存并不是逐个字节访问，而是以字长（word size）为单位访问。如 32 位的 CPU ，字长为 4 字节，那么 CPU 访存的单位是 4 字节。

这么设计的目的，是减少 CPU 访问内存的次数，加大 CPU 访问内存的吞吐量。比如同样读取 8 个字节的数据，一次读取 4 个字节那么只需要读取 2 次。

CPU 始终以字长访问内存，如果不进行内存对齐，可能会增加 CPU 访存次数。

内存对齐前变量 a、b 各占据 3 个字节，CPU 读取 b 变量的值需要两次访存，第一次访存得到前一个字节，第二次得到后两个字节。内存对齐后 a、b 各占 4 个字节，CPU 读取 b 变量的值只需要一次访存。

从这个例子可以看到，内存对齐对实现变量的原子性操作也是有好处的。每次内存访问是原子的，如果变量的大小不超过字长，那么内存对齐后，对该变量的访问就是原子的，这个特性在并发场景下至关重要。

简言之：合理的内存对齐可以提高内存读写性能，并且便于实现变量操作的原子性。

2.Go 内存对齐规则

编译器一般为了减少 CPU 访存指令周期，提高内存访问效率，会对变量进行内存对齐。Go 作为一门追求高性能的后台编程语言，当然也不例外。

Go Language Specification 中 Size and alignment guarantees 描述了内存对齐的规则。

1.For a variable x of any type: unsafe.Alignof(x) is at least 1. 2.For a variable x of struct type: unsafe.Alignof(x) is the largest of all the values unsafe.Alignof(x.f) for each field f of x, but at least 1. 3.For a variable x of array type: unsafe.Alignof(x) is the same as the alignment of a variable of the array's element type.

• 对于任意类型的变量 x ，unsafe.Alignof(x) 至少为 1。
• 对于结构体类型的变量 x，计算 x 每一个字段 f 的 unsafe.Alignof(x.f)，unsafe.Alignof(x) 等于其中的最大值。
• 对于数组类型的变量 x，unsafe.Alignof(x) 等于构成数组的元素类型的对齐系数。

其中函数 unsafe.Alignof 用于获取变量的对齐系数。对齐系数决定了字段的偏移和变量的大小，两者必须是对齐系数的整数倍。

3.合理的 struct 布局

因为内存对齐的存在，合理的 struct 布局可以减少内存占用，提高程序性能。

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，同样的字段，因排列顺序不同，会导致不一样的结构体大小。

每个字段按照自身的对齐系数来确定在内存中的偏移量，一个字段因偏移而浪费的大小也不同。

接下来逐个分析，首先是 demo1： a 是第一个字段，默认是已经对齐的，从第 0 个位置开始占据 1 字节。 b 是第二个字段，对齐系数为 2，因此，必须空出 1 个字节，偏移量才是 2 的倍数，从第 2 个位置开始占据 2 字节。 c 是第三个字段，对齐倍数为 4，此时，内存已经是对齐的，从第 4 个位置开始占据 4 字节即可。

因此 demo1 的内存占用为 8 字节。

对于 demo2： a 是第一个字段，默认是已经对齐的，从第 0 个位置开始占据 1 字节。 c 是第二个字段，对齐倍数为 4，因此，必须空出 3 个字节，偏移量才是 4 的倍数，从第 4 个位置开始占据 4 字节。 b 是第三个字段，对齐倍数为 2，从第 8 个位置开始占据 2 字节。

demo2 的对齐系数由 c 的对齐系数决定，也是 4，因此，demo2 的内存占用为 12 字节。

因此，在对内存特别敏感的结构体的设计上，我们可以通过调整字段的顺序，将字段宽度从小到大由上到下排列，来减少内存的占用。

4.空结构与空数组对内存对齐的影响

空结构与空数组在 Go 中比较特殊。没有任何字段的空 struct{} 和没有任何元素的 array 占据的内存空间大小为 0。

因为这一点，空 struct{} 或空 array 作为其他 struct 的字段时，一般不需要内存对齐。但是有一种情况除外：即当 struct{} 或空 array 作为结构体最后一个字段时，需要内存对齐。因为如果有指针指向该字段，返回的地址将在结构体之外，如果此指针一直存活不释放对应的内存，就会有内存泄露（该内存不因结构体释放而释放）。

type demo3 struct {
    a struct{}
    b int32
}
type demo4 struct {
    b int32
    a struct{}
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo3{})) // 4
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo4{})) // 8
}

可以看到，demo3{} 的大小为 4 字节，与字段 b 占据空间一致，而 demo4{} 的大小为 8 字节，即额外填充了 4 字节的空间。