帶你深入理解內存對齊最底層原理

相信絕大多數的人都瞭解內存對齊，對齊後性能高。但是其最最底層的原理是啥呢？ 有的人可能會說，因為高速緩存的工作機制。讀者你很聰明，這是原因之一。但我今天想挖的是更底層一點的原理，讓我們去內存的物理構成裡找找答案！

內存物理結構

我們來了解一下內存的物理構造，一般內存的外形圖片如下圖：

一個內存是由若干個黑色的內存顆粒構成的。每一個內存顆粒叫做一個chip。每個chip內部，是由8個bank組成的。其構造如下圖：

而每一個bank是一個二維平面上的矩陣，前面文章中我們說到過。矩陣中每一個元素中都是保存了1個字節，也就是8個bit。

內存編址方式

那麼對於我們在應用程序中內存中地址連續的8個字節,例如0x0000-0x0007，是從位於bank上的呢？直觀感覺，應該是在第一個bank上嗎？ 其實不是的，程序員視角看起來連續的地址0x0000-0x0007，實際上位8個bank中的，每一個bank只保存了一個字節。在物理上，他們並不連續。下圖很好地闡述了實際情況。

你可能想知道這是為什麼，原因是電路工作效率。內存中的8個bank是可以並行工作的。 如果你想讀取址0x0000-0x0007，每個bank工作一次，拼起來就是你要的數據，IO效率會比較高。但要存在一個bank裡，那這個bank只能自己幹活。只能串行進行讀取，需要讀8次，這樣速度會慢很多。

結論

所以，內存對齊最最底層的原因是內存的IO是以8個字節64bit為單位進行的。 對於64位數據寬度的內存，假如cpu也是64位的cpu（現在的計算機基本都是這樣的），每次內存IO獲取數據都是從同行同列的8個chip中各自讀取一個字節拼起來的。從內存的0地址開始，0-7字節的數據可以一次IO讀取出來，8-15字節的數據也可以一次讀取出來。

換個例子，假如你指定要獲取的是0x0001-0x0008，也是8字節，但是不是0開頭的，內存需要怎麼工作呢？沒有好辦法，內存只好先工作一次把0x0000-0x0007取出來，然後再把0x0008-0x0015取出來，把兩次的結果都返回給你。 CPU和內存IO的硬件限制導致沒辦法一次跨在兩個數據寬度中間進行IO。這樣你的應用程序就會變慢，算是計算機因為你不懂內存對齊而給你的一點點懲罰。

擴展1：事實上，編譯和鏈接器會自動替開發者對齊內存的，儘量幫你保證一個變量不跨列尋址。但是他不能做到十分完美。

擴展2：其實在內存硬件層上，還有操作系統層。操作系統還管理了CPU的一級、二級、三級緩存。不知道你有沒有印象，我們前面的文章說過高速緩存裡的Cache Line也是64字節，它是內存IO的整數倍，不會讓內存IO浪費。