带你深刻理解内存对齐最底层原理

相信绝大多数的人都了解内存对齐，对齐后性能高。 可是其最最底层的原理是啥呢？  有的人可能会说，由于高速缓存的工做机制。 读者你很聪明，这是缘由之一。 但我今天想挖的是更底层一点的原理，让咱们去内存的物理构成里找找答案！

内存物理结构

咱们来了解一下内存的物理构造，通常内存的外形图片以下图：

图1 内存外形图

一个内存是由若干个黑色的内存颗粒构成的。每个内存颗粒叫作一个chip。每一个chip内部，是由8个bank组成的。其构造以下图：

图2 chip内部构成

而每个bank是一个二维平面上的矩阵，前面文章中咱们说到过。矩阵中每个元素中都是保存了1个字节，也就是8个bit。

图3 bank内部构成

内存编址方式

那么对于咱们在应用程序中内存中地址连续的8个字节,例如0x0000-0x0007，是从位于bank上的呢？直观感受，应该是在第一个bank上吗？其实不是的，程序员视角看起来连续的地址0x0000-0x0007，其实是位于8个bank中的，每个bank只保存了一个字节。在物理上，他们并不连续。下图很好地阐述了实际状况。

图4 连续8字节在内存中实际分布

你可能想知道这是为何，缘由是电路工做效率。内存中的8个bank是能够并行工做的。若是你想读取地址0x0000-0x0007，每一个bank工做一次，拼起来就是你要的数据，IO效率会比较高。但要存在一个bank里，那这个bank只能本身干活。只能串行进行读取，须要读8次，这样速度会慢不少。

结论

因此，内存对齐最最底层的缘由是内存的IO是以8个字节64bit为单位进行的。 对于64位数据宽度的内存，假如cpu也是64位的cpu（如今的计算机基本都是这样的），每次内存IO获取数据都是从同行同列的8个bank中各自读取一个字节拼起来的。从内存的0地址开始，0-7字节的数据能够一次IO读取出来，8-15字节的数据也能够一次读取出来。

换个例子，假如你指定要获取的是0x0001-0x0008，也是8字节，可是不是0开头的，内存须要怎么工做呢？没有好办法，内存只好先工做一次把0x0000-0x0007取出来，而后再把0x0008-0x0015取出来，把两次的结果都返回给你。CPU和内存IO的硬件限制致使没办法一次跨在两个数据宽度中间进行IO。这样你的应用程序就会变慢，算是计算机由于你不懂内存对齐而给你的一点点惩罚。

扩展1：事实上，编译和连接器会自动替开发者对齐内存的，尽可能帮你保证一个变量不跨列寻址。可是他不能作到十分完美。

扩展2：其实在内存硬件层上，还有操做系统层。操做系统还管理了CPU的一级、二级、三级缓存。不知道你有没有印象，咱们前面的文章说太高速缓存里的Cache Line是64字节，它是内存IO单位的8倍，不会让内存IO浪费。