golang Unsafe Alignof explained

概述

本文介绍 golang unsafe 包中的 Alignof 方法的用法，这对理解 unsafe 包中另一个方法 Sizeof 至关重要，let's go。

Go Alignof 的含义

对于任意表达式 x，当调用 Align(x) 的时候就相当于你定义了一个虚拟变量 v，然后将 x 赋值给 v，Alignof(x) 返回的值就是这个虚拟变量 v 的内存对齐要求。换句话说对齐 v 就是使： v 的地址 mod Alignof(v) == 0，同时 Alignof(v) 取最大可能的值。

那么按照上面的说法，如果 v 的地址是 100，那么最大的值是 100 吗？其实并不是这样，这个最大值是平台相关的，64 位系统，最大值为 64 / 8 = 8 字节，32 为系统为 4 字节。

对齐的目的是为了更高效的读取，CPU 总是以字（WORD）为单位读取，字的大小是平台相关的，64 位系统，字大小为 8 字节，32 位系统字大小为 4。试想去读一个整形变量，如果不对齐，那么该整形可能跨越两个字，需要两次读取，如果对齐了，只需要一次读取，因为一个整形的大小正好和字大小相同。

对齐保证

Go 语言规范中，只规定了以下最小的对齐保证：

• For a variable x of any type: unsafe.Alignof(x) is at least 1.
• 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.
• 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.

简单翻译就是：任何类型变量 x， 对齐要求至少为 1；对于 struct 类型的变量 x，x 中包含的字段为 f1 到 fn，那么 unsafe.Alignof(x) = max(unsafe.Alignof(x.f1), unsafe.Alignof(x.f2), ..., unsafe.Alignof(x.fn))，换句话说 struct 类型的变量 x 的对齐要求为 x 的所有字段的对齐要求的最大值；数组类型的变量 x 的对齐要求是由数组中元素类型的对齐要求决定的。

以下是 Go 标准编译器的对齐保证：

No.	type	对齐保证
1	bool, uint8, int8	1
2	uint16, int16	2
3	uint32, int32	4
4	float32, complex64	4
5	arrays	由元素类型决定
6	structs	由字段类型决定
7	其他类型	由平台 WORD 大小决定，即 64 位系统为 8，32 位系统为 4

No. 列是编号，下面的例子中会引用该编号以便让大家更好理解 Alignof 的输出依据的是哪条规则。

Golang Alignof 实战

注：以下例子均在 64 位操作系统上产生的结果。

输入	Alignof	No.
int8(0)	1	1
true	1	1
int16(0)	2	2
int32(0)	4	3
int64(0)	8	7
int(0)	8	7
[2]int{0, 1}	8	5

依据第 7 条规则，Alignof(int(0)) 输出结果为 8。需要注意的是：如果在 32 位系统上，输出结果为 4。

由于 Go 只规定了最小的对齐保证，大部分未规定类型的变量的 Alignof 要么是 8，要么是 4。因此下面的输出结果均为 8。需要注意 []int8 {1} 是切片，不是数组，所以不能依据规则 5，而是应该依据规则 7。

// 8
println(unsafe.Alignof(""))
// 8
println(unsafe.Alignof("abc"))
// 8
println(unsafe.Alignof([]int8 {1}))
// 1
println(unsafe.Alignof([1]int8 {1}))

结构体的 Alignof 稍微复杂，结构体的对齐取决于所有字段对齐保证的最大值，套下面的公式即可：

unsafe.Alignof(x) = max(unsafe.Alignof(x.f1), unsafe.Alignof(x.f2), ..., unsafe.Alignof(x.fn))

假设一个结构体定义如下：

type M struct {
	x int8
	y int32
	z int64
}
m := M{}
// 输出 8
println(unsafe.Alignof(m))

unsafe.Alignof(m) = max(unsafe.Alignof(m.x), unsafe.Alignof(m.y), unsafe.Alignof(m.z)) = max(1, 4, 8) = 8

总结

Golang Alignof 并不复杂，只要记住最小对齐保证即可。