Go 語(yǔ)言內(nèi)存管理（三）：逃逸分析

Go 語(yǔ)言較之 C 語(yǔ)言一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是自帶 GC 功能，可 GC 并不是沒(méi)有代價(jià)的。寫(xiě) C 語(yǔ)言的時(shí)候，在一個(gè)函數(shù)內(nèi)聲明的變量，在函數(shù)退出后會(huì)自動(dòng)釋放掉，因?yàn)檫@些變量分配在棧上。如果你期望變量的數(shù)據(jù)可以在函數(shù)退出后仍然能被訪問(wèn)，就需要調(diào)用 malloc 方法在堆上申請(qǐng)內(nèi)存，如果程序不再需要這塊內(nèi)存了，再調(diào)用 free 方法釋放掉。Go 語(yǔ)言不需要你主動(dòng)調(diào)用 malloc 來(lái)分配堆空間，編譯器會(huì)自動(dòng)分析，找出需要 malloc 的變量，使用堆內(nèi)存。編譯器的這個(gè)分析過(guò)程就叫做逃逸分析。

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所以你在一個(gè)函數(shù)中通過(guò) dict := make(map[string]int) 創(chuàng)建一個(gè) map 變量，其背后的數(shù)據(jù)是放在棧空間上還是堆空間上，是不一定的。這要看編譯器分析的結(jié)果。

可逃逸分析并不是百分百準(zhǔn)確的，它有缺陷。有的時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)有些變量其實(shí)在棧空間上分配完全沒(méi)問(wèn)題的，但編譯后程序還是把這些數(shù)據(jù)放在了堆上。如果你了解 Go 語(yǔ)言編譯器逃逸分析的機(jī)制，在寫(xiě)代碼的時(shí)候就可以有意識(shí)地繞開(kāi)這些缺陷，使你的程序更高效。

Go 語(yǔ)言雖然在內(nèi)存管理方面降低了編程門檻，即使你不了解堆棧也能正常開(kāi)發(fā)，但如果你要在性能上較真的話，還是要掌握這些基礎(chǔ)知識(shí)。

這里不對(duì)堆內(nèi)存和棧內(nèi)存的區(qū)別做太多闡述。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是， 棧分配廉價(jià)，堆分配昂貴。 棧空間會(huì)隨著一個(gè)函數(shù)的結(jié)束自動(dòng)釋放，堆空間需要時(shí)間 GC 模塊不斷地跟蹤掃描回收。如果對(duì)這兩個(gè)概念有些迷糊，建議閱讀下面 2 個(gè)文章：

這里舉一個(gè)小例子，來(lái)對(duì)比下堆棧的差別：

stack 函數(shù)中的變量 i 在函數(shù)退出會(huì)自動(dòng)釋放；而 heap 函數(shù)返回的是對(duì)變量 i 的引用，也就是說(shuō) heap() 退出后，表示變量 i 還要能被訪問(wèn)，它會(huì)自動(dòng)被分配到堆空間上。

他們編譯出來(lái)的代碼如下：

邏輯的復(fù)雜度不言而喻，從上面的匯編中可看到， heap() 函數(shù)調(diào)用了 runtime.newobject() 方法，它會(huì)調(diào)用 mallocgc 方法從 mcache 上申請(qǐng)內(nèi)存，申請(qǐng)的內(nèi)部邏輯前面文章已經(jīng)講述過(guò)。堆內(nèi)存分配不僅分配上邏輯比棧空間分配復(fù)雜，它最致命的是會(huì)帶來(lái)很大的管理成本，Go 語(yǔ)言要消耗很多的計(jì)算資源對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記回收（也就是 GC 成本）。

Go 編輯器會(huì)自動(dòng)幫我們找出需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的變量，它是在編譯時(shí)追蹤一個(gè)變量的生命周期，如果能確認(rèn)一個(gè)數(shù)據(jù)只在函數(shù)空間內(nèi)訪問(wèn)，不會(huì)被外部使用，則使用棧空間，否則就要使用堆空間。

我們?cè)? go build 編譯代碼時(shí)，可使用 -gcflags '-m' 參數(shù)來(lái)查看逃逸分析日志。

以上面的兩個(gè)函數(shù)為例，編譯的日志輸出是：

日志中的 i escapes to heap 表示該變量數(shù)據(jù)逃逸到了堆上。

需要使用堆空間，所以逃逸，這沒(méi)什么可爭(zhēng)議的。但編譯器有時(shí)會(huì)將 不需要 使用堆空間的變量，也逃逸掉。這里是容易出現(xiàn)性能問(wèn)題的大坑。網(wǎng)上有很多相關(guān)文章，列舉了一些導(dǎo)致逃逸情況，其實(shí)總結(jié)起來(lái)就一句話：

多級(jí)間接賦值容易導(dǎo)致逃逸 。

這里的多級(jí)間接指的是，對(duì)某個(gè)引用類對(duì)象中的引用類成員進(jìn)行賦值。Go 語(yǔ)言中的引用類數(shù)據(jù)類型有 func , interface , slice , map , chan , *Type(指針) 。

記住公式 Data.Field = Value ，如果 Data , Field 都是引用類的數(shù)據(jù)類型，則會(huì)導(dǎo)致 Value 逃逸。這里的等號(hào) = 不單單只賦值，也表示參數(shù)傳遞。

根據(jù)公式，我們假設(shè)一個(gè)變量 data 是以下幾種類型，相應(yīng)的可以得出結(jié)論：

下面給出一些實(shí)際的例子：

如果變量值是一個(gè)函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)又是引用類型，則傳遞給它的參數(shù)都會(huì)逃逸。

上例中 te 的類型是 func(*int) ，屬于引用類型，參數(shù) *int 也是引用類型，則調(diào)用 te(j) 形成了為 te 的參數(shù)(成員) *int 賦值的現(xiàn)象，即 te.i = j 會(huì)導(dǎo)致逃逸。代碼中其他幾種調(diào)用都沒(méi)有形成 多級(jí)間接賦值 情況。

同理，如果函數(shù)的參數(shù)類型是 slice , map 或 interface{} 都會(huì)導(dǎo)致參數(shù)逃逸。

匿名函數(shù)的調(diào)用也是一樣的，它本質(zhì)上也是一個(gè)函數(shù)變量。有興趣的可以自己測(cè)試一下。

只要使用了 Interface 類型(不是 interafce{} )，那么賦值給它的變量一定會(huì)逃逸。因?yàn)? interfaceVariable.Method() 先是間接的定位到它的實(shí)際值，再調(diào)用實(shí)際值的同名方法，執(zhí)行時(shí)實(shí)際值作為參數(shù)傳遞給方法。相當(dāng)于 interfaceVariable.Method.this = realValue

向 channel 中發(fā)送數(shù)據(jù)，本質(zhì)上就是為 channel 內(nèi)部的成員賦值，就像給一個(gè) slice 中的某一項(xiàng)賦值一樣。所以 chan *Type , chan map[Type]Type , chan []Type , chan interface{} 類型都會(huì)導(dǎo)致發(fā)送到 channel 中的數(shù)據(jù)逃逸。

這本來(lái)也是情理之中的，發(fā)送給 channel 的數(shù)據(jù)是要與其他函數(shù)分享的，為了保證發(fā)送過(guò)去的指針依然可用，只能使用堆分配。

可變參數(shù)如 func(arg ...string) 實(shí)際與 func(arg []string) 是一樣的，會(huì)增加一層訪問(wèn)路徑。這也是 fmt.Sprintf 總是會(huì)使參數(shù)逃逸的原因。

例子非常多，這里不能一一列舉，我們只需要記住分析方法就好，即，2 級(jí)或更多級(jí)的訪問(wèn)賦值會(huì) 容易 導(dǎo)致數(shù)據(jù)逃逸。這里加上 容易 二字是因?yàn)殡S著語(yǔ)言的發(fā)展，相信這些問(wèn)題會(huì)被慢慢解決，但現(xiàn)階段，這個(gè)可以作為我們分析逃逸現(xiàn)象的依據(jù)。

下面代碼中包含 2 種很常規(guī)的寫(xiě)法，但他們卻有著很大的性能差距，建議自己想下為什么。

Benchmark 和 pprof 給出的結(jié)果:

熟悉堆棧概念可以讓我們更容易看透 Go 程序的性能問(wèn)題，并進(jìn)行優(yōu)化。

多級(jí)間接賦值會(huì)導(dǎo)致 Go 編譯器出現(xiàn)不必要的逃逸，在一些情況下可能我們只需要修改一下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就會(huì)使性能有大幅提升。這也是很多人不推薦在 Go 中使用指針的原因，因?yàn)樗鼤?huì)增加一級(jí)訪問(wèn)路徑，而 map , slice , interface{} 等類型是不可避免要用到的，為了減少不必要的逃逸，只能拿指針開(kāi)刀了。

大多數(shù)情況下，性能優(yōu)化都會(huì)為程序帶來(lái)一定的復(fù)雜度。建議實(shí)際項(xiàng)目中還是怎么方便怎么寫(xiě)，功能完成后通過(guò)性能分析找到瓶頸所在，再對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化。

Golang 1.14中內(nèi)存分配、清掃和內(nèi)存回收

Golang的內(nèi)存分配是由golang runtime完成，其內(nèi)存分配方案借鑒自tcmalloc。

主要特點(diǎn)就是

本文中的element指一定大小的內(nèi)存塊是內(nèi)存分配的概念，并為出現(xiàn)在golang runtime源碼中

本文講述x8664架構(gòu)下的內(nèi)存分配

Golang 內(nèi)存分配有下面幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)

Tiny對(duì)象是指內(nèi)存尺寸小于16B的對(duì)象，這類對(duì)象的分配使用mcache的tiny區(qū)域進(jìn)行分配。當(dāng)tiny區(qū)域空間耗盡時(shí)刻，它會(huì)從mcache.alloc[tinySpanClass]指向的mspan中找到空閑的區(qū)域。當(dāng)然如果mcache中span空間也耗盡，它會(huì)觸發(fā)從mcentral補(bǔ)充mspan到mcache的流程。

小對(duì)象是指對(duì)象尺寸在（16B，32KB]之間的對(duì)象，這類對(duì)象的分配原則是：

1、首先根據(jù)對(duì)象尺寸將對(duì)象歸為某個(gè)SpanClass上，這個(gè)SpanClass上所有的element都是一個(gè)統(tǒng)一的尺寸。

2、從mcache.alloc[SpanClass]找到mspan，看看有無(wú)空閑的element，如果有分配成功。如果沒(méi)有繼續(xù)。

3、從mcentral.allocSpan[SpanClass]的nonempty和emtpy中找到合適的mspan，返回給mcache。如果沒(méi)有找到就進(jìn)入mcentral.grow()—mheap.alloc()分配新的mspan給mcentral。

大對(duì)象指尺寸超出32KB的對(duì)象，此時(shí)直接從mheap中分配，不會(huì)走mcache和mcentral，直接走mheap.alloc()分配一個(gè)SpanClass==0 的mspan表示這部分分配空間。

對(duì)于程序分配常用的tiny和小對(duì)象的分配，可以通過(guò)無(wú)鎖的mcache提升分配性能。mcache不足時(shí)刻會(huì)拿mcentral的鎖，然后從mcentral中充mspan 給mcache。大對(duì)象直接從mheap 中分配。

在x8664環(huán)境上，golang管理的有效的程序虛擬地址空間實(shí)質(zhì)上只有48位。在mheap中有一個(gè)pages pageAlloc成員用于管理golang堆內(nèi)存的地址空間。golang從os中申請(qǐng)地址空間給自己管理，地址空間申請(qǐng)下來(lái)以后，golang會(huì)將地址空間根據(jù)實(shí)際使用情況標(biāo)記為free或者alloc。如果地址空間被分配給mspan或大對(duì)象后，那么被標(biāo)記為alloc，反之就是free。

Golang認(rèn)為地址空間有以下4種狀態(tài)：

Golang同時(shí)定義了下面幾個(gè)地址空間操作函數(shù)：

在mheap結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)名為pages成員，它用于golang 堆使用虛擬地址空間進(jìn)行管理。其類型為pageAlloc

pageAlloc 結(jié)構(gòu)表示的golang 堆的所有地址空間。其中最重要的成員有兩個(gè)：

在golang的gc流程中會(huì)將未使用的對(duì)象標(biāo)記為未使用，但是這些對(duì)象所使用的地址空間并未交還給os。地址空間的申請(qǐng)和釋放都是以golang的page為單位（實(shí)際以chunk為單位）進(jìn)行的。sweep的最終結(jié)果只是將某個(gè)地址空間標(biāo)記可被分配，并未真正釋放地址空間給os，真正釋放是后文的scavenge過(guò)程。

在gc mark結(jié)束以后會(huì)使用sweep()去嘗試free一個(gè)span；在mheap.alloc 申請(qǐng)mspan時(shí)刻，也使用sweep去清掃一下。

清掃mspan主要涉及到下面函數(shù)

如上節(jié)所述，sweep只是將page標(biāo)記為可分配，但是并未把地址空間釋放；真正的地址空間釋放是scavenge過(guò)程。

真正的scavenge是由pageAlloc.scavenge()—sysUnused()將掃描到待釋放的chunk所表示的地址空間釋放掉（使用sysUnused()將地址空間還給os）

golang的scavenge過(guò)程有兩種：

go語(yǔ)言new一個(gè)變量后怎么釋放

go語(yǔ)言和java類似

不需要人為的釋放內(nèi)存

當(dāng)所有的引用都失效后

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收內(nèi)存的。

分享題目：go語(yǔ)言new后回收 go語(yǔ)言 cgo
標(biāo)題URL：http://chinadenli.net/article0/dogdgoo.html

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