Golang数据结构性能优化实践

仅仅通过对struct字段重新排序，优化内存对齐方式，就可以获得明显的内存和执行效率提升。原文: How to Speed Up Your Struct in Golang

如果你有Golang开发经验，一定定义过struct类型。

但可能你不知道，通过简单的重新排序struct字段，可以极大提高Go程序的速度和内存使用效率！

是不是难以置信？我们一起来看一下吧！

简单Demo

type BadStruct struct {
	age         uint8
	passportNum uint64
	siblings    uint16
}

type GoodStruct struct {
	age         uint8
	siblings    uint16
	passportNum uint64
}

在上面的代码片段中，我们创建了两个具有相同字段的结构体。然后编写一个简单程序分别输出其内存使用情况。

// Output
Bad struct is 24 bytes long
Good struct is 16 bytes long

如你所见，它们在内存使用方面并不一样。

是什么原因导致两个完全相似的struct消耗的内存不同？

答案在于数据在计算机内存中的排列方式。

简而言之，数据结构对齐。

数据结构对齐

CPU以字(word)为单位读取数据，而不是字节(byte)。

64位系统中，一个word是8个字节，而32位系统中，一个word是4个字节。

简而言之，CPU以其字长的倍数读取内存地址。

想象一下，在64位系统中，为了获取变量passportNum，CPU需要两个周期来访问数据。

第一个周期将获取内存的0到7字节，下一个周期获取其余内存字节。

把它想象成一个笔记本，每页只能存储一个字大小的数据(在本例中为8字节)。如果passportNum分散在两个页，则需要两次读取才能检索到完整的数据。

非常低效。

因此需要数据结构对齐，让计算机将数据存储在等于数据大小倍数的地址上。

例如，2字节数据可以存储在内存0、2或4中，而4字节数据可以存储在内存0、4或8中。

通过简单的对齐数据，计算机确保可以在一个CPU周期内检索到变量passportNum。

数据结构填充

填充是实现数据对齐的关键。

计算机通过在数据结构之间填充额外的字节，从而对齐字段。

这就是额外内存的来源！

我们来回顾一下BadStruct和GoodStruct。

GoodStruct消耗更少的内存，仅仅因为与BadStruct相比，其struct字段顺序更合理。

由于填充，两个13字节的数据结构分别变成了16字节和24字节。

因此，可以仅仅通过对struct字段重新排序来节省额外的内存！

这种优化为什么重要？

问题来了，你为什么要关心这个？

两个方面，速度和内存使用。

我们做一个简单的基准测试来证明！

func traverseGoodStruct() uint16 {
	var arbitraryNum uint16
  
	for _, goodStruct := range GoodStructArr {
		arbitraryNum += goodStruct.siblings
	}
  
	return arbitraryNum
}

func traverseBadStruct() uint16 {
	var arbitraryNum uint16
  
	for _, badStruct := range BadStructArr {
		arbitraryNum += badStruct.siblings
	}
  
	return arbitraryNum
}

func BenchmarkTraverseGoodStruct(b *testing.B) {
	for n := 0; n < b.N; n++ {
		traverseGoodStruct()
	}
}

func BenchmarkTraverseBadStruct(b *testing.B) {
	for n := 0; n < b.N; n++ {
		traverseBadStruct()
	}
}

对GoodStruct和BadStruct进行基准测试的方法是循环遍历数组，并将struct字段累加到变量中。

从结果中可以看出，遍历GoodStruct确实比BadStruct花费时间更少。

对struct字段重排序可以优化应用程序的内存使用和速度。

想象一下，维护一个具有大量结构体的大型应用程序，改变将会更为明显。

结语

好了，全文到此为止，我们以一个简单的行动呼吁来结束:

一定要对struct结构字段进行重排序！

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你好，我是俞凡，在Motorola做过研发，现在在Mavenir做技术工作，对通信、网络、后端架构、云原生、DevOps、CICD、区块链、AI等技术始终保持着浓厚的兴趣，平时喜欢阅读、思考，相信持续学习、终身成长，欢迎一起交流学习。为了方便大家以后能第一时间看到文章，请朋友们关注公众号"DeepNoMind"，并设个星标吧，如果能一键三连(转发、点赞、在看)，则能给我带来更多的支持和动力，激励我持续写下去，和大家共同成长进步！

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