Go內存分配和逃逸分析-實踐總結篇

作者：王中陽Go 2023-01-28 08:32:04

開發后端

與棧不同的是，堆區的內存一般由編譯器和工程師自己共同進行管理分配，交給 Runtime GC 來釋放。在堆上分配時，必須找到一塊足夠大的內存來存放新的變量數據。后續釋放時，垃圾回收器掃描堆空間尋找不再被使用的對象。

前言

大家好，我是陽哥。

上期內容給大家分享了：??Go內存分配和逃逸分析-理論篇??

這期內容帶大家理論聯系實踐，詳解Go逃逸分析的場景，我還找到了一個非常好用的在線協作工具，大家可以直接在線調試：?https://1024code.com/codecubes/biY4K3l

效果如下：

要搞清楚GO的逃逸分析一定要先搞清楚內存分配和堆棧：

內存既可以分配到堆中，也可以分配到棧中。

GO語言是如何進行內存分配的呢？其設計初衷和實現原理是什么呢？

要搞清楚上面的問題，我們先來聊一下內存管理和堆、棧的知識點：

內存管理

內存管理主要包括兩個動作：分配與釋放。逃逸分析就是服務于內存分配的，而內存的釋放由GC負責。

棧

在Go語言中，棧的內存是由編譯器自動進行分配和釋放的，棧區往往存儲著函數參數、局部變量和調用函數幀，它們隨著函數的創建而分配，隨著函數的退出而銷毀。

Go應用程序運行時，每個 goroutine 都維護著一個自己的棧區，這個棧區只能自己使用不能被其他 goroutine 使用。棧是調用棧（call stack）的簡稱。一個棧通常又包含了許多棧幀（stack frame），它描述的是函數之間的調用關系

堆

我們可以簡單理解為：我們用GO語言開發過程中，要考慮的內存管理只是針對堆內存而言的。

程序在運行期間可以主動從堆上申請內存，這些內存通過Go的內存分配器分配，并由垃圾收集器回收。

為了方便大家理解，我們再從以下角度對比一下堆棧：

堆和棧的對比

加鎖

棧不需要加鎖：每個goroutine都獨享自己的棧空間，這就意味著棧上的內存操作是不需要加鎖的。
堆有時需要加鎖：堆上的內存，有時需要加鎖防止多線程沖突

延伸知識點：為什么堆上的內存有時需要加鎖？而不是一直需要加鎖呢？

因為Go的內存分配策略學習了TCMalloc的線程緩存思想，他為每個處理器分配了一個mcache，注意：從mcache分配內存也是無鎖的。

關注我，后面帶大家詳解這部分知識點。

性能

棧內存管理性能好：棧上的內存，它的分配與釋放非常高效的。簡單地說，它只需要兩個CPU指令：一個是分配入棧，另外一個是棧內釋放。只需要借助于棧相關寄存器即可完成。
堆內存管理性能差：對于程序堆上的內存回收，還需要有標記清除階段，例如Go采用的三色標記法。

緩存策略

棧緩存性能更好
堆緩存性能較差

原因是：棧內存能更好地利用CPU的緩存策略，因為棧空間相較于堆來說是更連續的。

下面就介紹今天的重頭戲了：

逃逸分析

上面說了這么多堆和棧的知識點，目的是為了讓大家更好的理解逃逸分析。

正如上面講的，相比于把內存分配到堆中，分配到棧中優勢更明顯。

Go語言也是這么做的：Go編譯器會盡可能將變量分配到到棧上。

但是，在函數返回后無法證明變量未被引用，則該變量將被分配到堆上，該變量不隨函數棧的回收而回收。以此避免懸掛指針（dangling pointer）的問題。

另外，如果局部變量占用內存非常大，也會將其分配在堆上。

Go是如何確定內存是分配到棧上還是堆上的呢？

答案就是：逃逸分析。

編譯器通過逃逸分析技術去選擇堆或者棧，逃逸分析的基本思想如下：檢查變量的生命周期是否是完全可知的，如果通過檢查，則在棧上分配。否則，就是所謂的逃逸，必須在堆上進行分配。

逃逸分析原則

Go語言雖然沒有明確說明逃逸分析原則，但是有以下幾點準則，是可以參考的。

不同于JAVA JVM的運行時逃逸分析，Go的逃逸分析是在編譯期完成的：編譯期無法確定的參數類型必定放到堆中；
如果變量在函數外部存在引用，則必定放在堆中；
如果變量占用內存較大時，則優先放到堆中；
如果變量在函數外部沒有引用，則優先放到棧中；

逃逸分析舉例

我們使用這個命令來查看逃逸分析的結果：go build -gcflags '-m -m -l'

1.參數是interface類型

package main

import "fmt"

func main() {
a := 666
fmt.Println(a)
}

運行結果

原因分析

因為Println(a ...interface{})的參數是interface{}類型，編譯期無法確定其具體的參數類型，所以內存分配到堆中。

2. 變量在函數外部有引用

package main

func test() *int {
a := 10
return &a
}

func main() {
_ = test()
}

運行結果

原因分析

變量a在函數外部存在引用。

我們來分析一下執行過程：當函數執行完畢，對應的棧幀就被銷毀，但是引用已經被返回到函數之外。如果這時外部通過引用地址取值，雖然地址還在，但是這塊內存已經被釋放回收了，這就是非法內存。

為了避免上述非法內存的情況，在這種情況下變量的內存分配必須分配到堆上。

3. 變量內存占用較大

package main

func test() {
a := make([]int, 10000, 10000)
for i := 0; i < 10000; i++ {
a[i] = i
}
}

func main() {
test()
}

運行結果

原因分析

我們定義了一個容量為10000的int類型切片，發生了逃逸，內存分配到了堆上（heap）。

注意看：

我們再簡單修改一下代碼，將切片的容量和長度修改為1，再次查看逃逸分析的結果，我們發現，沒有發生逃逸，內存默認分類到了棧上。

所以，當變量占用內存較大時，會發生逃逸分析，將內存分配到堆上。

4. 變量大小不確定時

我們再簡單修改一下上面的代碼：

package main

func test() {
l := 1
a := make([]int, l, l)
for i := 0; i < l; i++ {
a[i] = i
}
}

func main() {
test()
}

運行結果

原因分析

我們通過控制臺的輸出結果可以很明顯的看出：發生了逃逸，分配到了heap堆中。

原因是這樣的：

我們雖然在代碼段中給變量 l 賦值了1，但是編譯期間只能識別到初始化int類型切片時，傳入的長度和容量是變量l，編譯期并不能確定變量l的值，所以發生了逃逸，會把內存分配到堆中。

思考題

好了，我們舉了4個逃逸分析的經典案例，相信聰明的你已經理解了逃逸分析的作用和發生逃逸的場景。

我們來想一下，在理解逃逸分析的原理之后，在開發的過程中如何更好的編碼，進而提高程序的效率，更好的利用內存呢？

如何實踐？

理解逃逸分析一定能幫助我們寫出更好的程序。知道變量分配在棧堆之上的差別后，我們就要盡量寫出分配在棧上的代碼。因為堆上的變量變少后，可以減輕內存分配的開銷，減小GC的壓力，提高程序的運行速度。

但是我們也要有過猶不及的指導思想。

我認為沒有一成不變的開發模式，我們一定是在不斷的需求變化，業務變化中求得平衡的：

舉個栗子

舉個日常開發中函數傳參例子：

有些場景下我們不應該傳遞結構體指針，而應該直接傳遞結構體。

為什么會這樣呢？雖然直接傳遞結構體需要值拷貝，但是這是在棧上完成的操作，開銷遠比變量逃逸后動態地在堆上分配內存少的多。

當然這種做法不是絕對的，要根據場景去分析：

如果結構體較大，傳遞結構體指針更合適，因為指針類型相比值類型能節省大量的內存空間
如果結構體較小，傳遞結構體更適合，因為在棧上分配內存，可以有效減少GC壓力

總結

通過本文的介紹，相信你一定加深了堆棧的理解；搞清楚逃逸分析的作用和原理之后能夠指導我們寫出更優雅的代碼。

我們在日常開發中，要根據實際場景考慮，如何將內存盡量分配到棧中，減少GC的壓力，提高性能。

如何找到應用開發效率、程序運行效率、對機器的壓力及負載的平衡點，是程序員進階之旅中的必修課。

本文轉載自微信公眾號「程序員升級打怪之旅」，作者「王中陽Go」，可以通過以下二維碼關注。

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責任編輯：武曉燕來源：程序員升職加薪之旅

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