Go 語言內(nèi)存管理（三）：逃逸分析

Go 語言較之 C 語言一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是自帶 GC 功能，可 GC 并不是沒有代價(jià)的。寫 C 語言的時(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，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 語言不需要你主動(dòng)調(diào)用 malloc 來分配堆空間，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 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?？臻g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問題的，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 語言編譯器逃逸分析的機(jī)制，在寫代碼的時(shí)候就可以有意識(shí)地繞開這些缺陷，使你的程序更高效。

Go 語言雖然在內(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)單來說就是， 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 heap() 退出后，表示變量 i 還要能被訪問，它會(huì)自動(dòng)被分配到堆空間上。

他們編譯出來的代碼如下：

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。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)帶來很大的管理成本，Go 語言要消耗很多的計(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，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著語言的發(fā)展，相信這些問題會(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，只能拿指針開刀了。

大多數(shù)情況下，性能優(yōu)化都會(huì)為程序帶來一定的復(fù)雜度。建議實(shí)際項(xiàng)目中還是怎么方便怎么寫，功能完成后通過性能分析找到瓶頸所在，再對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化。

golang - channel

通過var聲明或者make函數(shù)創(chuàng)建的channel變量是一個(gè)存儲(chǔ)在函數(shù)棧幀上的指針，占用8個(gè)字節(jié)，指向堆上的hchan結(jié)構(gòu)體

源碼包中src/runtime/chan.go定義了hchan的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

hchan結(jié)構(gòu)體的主要組成部分有四個(gè)：

用來保存goroutine之間傳遞數(shù)據(jù)的循環(huán)數(shù)組：buf

用來記錄此循環(huán)數(shù)組當(dāng)前發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的下標(biāo)值：sendx和recvx

用于保存向該chan發(fā)送和從該chan接收數(shù)據(jù)被阻塞的goroutine隊(duì)列： sendq 和 recvq

保證channel寫入和讀取數(shù)據(jù)時(shí)線程安全的鎖：lock

環(huán)形數(shù)組作為channel 的緩沖區(qū) 數(shù)組的長(zhǎng)度就是定義channnel 時(shí)channel 的緩沖大小

在hchan 中包括了讀/寫 等待隊(duì)列， waitq是一個(gè)雙向隊(duì)列，包括了一個(gè)頭結(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)sudog結(jié)構(gòu)體變量

channel有2種類型：無緩沖、有緩沖， 在創(chuàng)建時(shí) make(chan type cap) 通過cap 設(shè)定緩沖大小

channel有3種模式：寫操作模式（單向通道）、讀操作模式（單向通道）、讀寫操作模式（雙向通道）

channel有3種狀態(tài)：未初始化、正常、關(guān)閉

如下幾種狀態(tài)會(huì)引發(fā)panic

channel 是線程安全的，channel的底層實(shí)現(xiàn)中，hchan結(jié)構(gòu)體中采用Mutex鎖來保證數(shù)據(jù)讀寫安全。在對(duì)循環(huán)數(shù)組buf中的數(shù)據(jù)進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作時(shí)，必須先獲取互斥鎖，才能操作channel數(shù)據(jù)

go語言中channel的問題

第一個(gè)問題，打開文件應(yīng)添加"|os.O_WRONLY"

file, err := os.OpenFile("data.dat",os.O_CREATE|os.O_APPEND|os.O_WRONLY,0777)

第二個(gè)問題，將Count方法中的 "ch-i"放到方法的最后一行就可以了。

因?yàn)橐坏癱h-i"執(zhí)行了，main方法中的 "-ch"就會(huì)執(zhí)行通過當(dāng)所有的"-ch"執(zhí)行完后程序就結(jié)束了。但這時(shí)Count的線程方法還來不及執(zhí)行完（打開文件的速度相對(duì)較慢），所以僅僅執(zhí)行一次文件操作就結(jié)束了

Go 語言 channel 的阻塞問題

Hello，大家好，又見面了！上一遍我們將 channel 相關(guān)基礎(chǔ)以及使用場(chǎng)景。這一篇，還需要再次進(jìn)階理解channel 阻塞問題。以下創(chuàng)建一個(gè)chan類型為int，cap 為3。

channel 內(nèi)部其實(shí)是一個(gè)環(huán)形buf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，是一種滑動(dòng)窗口機(jī)制，當(dāng)make完后，就分配在 Heap 上。

上面，向 chan 發(fā)送一條“hello”數(shù)據(jù)：

如果 G1 發(fā)送數(shù)據(jù)超過指定cap時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么情況？

看下面實(shí)例：

以上會(huì)出現(xiàn)什么，chan 緩沖區(qū)允許大小為1，如果再往chan仍數(shù)據(jù)，滿了就會(huì)被阻塞，那么是如何實(shí)現(xiàn)阻塞的呢？當(dāng) chan 滿時(shí)，會(huì)進(jìn)入 gopark，此時(shí) G1 進(jìn)入一個(gè) waiting 狀態(tài)，然后會(huì)創(chuàng)建一個(gè) sudog 對(duì)象，其實(shí)就sendq隊(duì)列，把 200放進(jìn)去。等 buf 不滿的時(shí)候，再喚醒放入buf里面。

通過如下源碼，你會(huì)更加清晰：

上面，從 chan 獲取數(shù)據(jù)：

Go 語言核心思想：“Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.” 你可以看看這本書名叫：Effective Go

如果接收者，接收一個(gè)空對(duì)象，也會(huì)發(fā)生什么情況？

代碼示例 ：

也會(huì)報(bào)錯(cuò)如下：

上面，從 chan 取出數(shù)據(jù)，可是沒有數(shù)據(jù)了。此時(shí)，它會(huì)把 接收者 G2 阻塞掉，也是和G1發(fā)送者一樣，也會(huì)執(zhí)行 gopark 將狀態(tài)改為 waiting，不一樣的點(diǎn)就是。

正常情況下，接收者G2作為取出數(shù)據(jù)是去 buf 讀取數(shù)據(jù)的，但現(xiàn)在，buf 為空了，此時(shí)，接收者G2會(huì)將sudog導(dǎo)出來，因?yàn)楝F(xiàn)在G2已經(jīng)被阻塞了嘛，會(huì)把G2給G，然后將 t := -ch 中變量 t 是在棧上的地址，放進(jìn)去 elem ，也就是說，只存它的地址指針在sudog里面。

最后， ch - 200 當(dāng)G1往 chan 添加200這個(gè)數(shù)據(jù)，正常情況是將數(shù)據(jù)添加到buf里面，然后喚醒 G2 是吧，而現(xiàn)在是將 G1 的添加200數(shù)據(jù)直接干到剛才G2阻塞的t這里變量里面。

你會(huì)認(rèn)為，這樣真的可以嗎？想一想，G2 本來就是已經(jīng)阻塞了，然后我們直接這么干肯定沒有什么毛病，而且效率提高了，不需要再次放入buf再取出，這個(gè)過程也是需要時(shí)間。不然，不得往chan添加數(shù)據(jù)需要加鎖、拷貝、解鎖一序列操作，那肯定就慢了，我想Go語言是為了高效及內(nèi)存使用率的考慮這樣設(shè)計(jì)的。（注意，一般都是在runtime里面完成，不然會(huì)出現(xiàn)象安全問題。）

總結(jié) ：

chan 類型的特點(diǎn)：chan 如果為空，receiver 接收數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)阻塞等待，直到 chan 被關(guān)閉或者有新的數(shù)據(jù)到來。有這種個(gè)機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn) wait/notify 的設(shè)計(jì)模式。

相關(guān)面試題：

Golang入門到項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn) | golang并發(fā)變成之通道channel

Go提供了一種稱為通道的機(jī)制，用于在goroutine之間共享數(shù)據(jù)。當(dāng)您作為goroutine執(zhí)行并發(fā)活動(dòng)時(shí)，需要在goroutine之間共享資源或數(shù)據(jù)，通道充當(dāng)goroutine之間的管道（管道）并提供一種機(jī)制來保證同步交換。

根據(jù)數(shù)據(jù)交換的行為，有兩種類型的通道：無緩沖通道和緩沖通道。無緩沖通道用于執(zhí)行g(shù)oroutine之間的同步通信，而緩沖通道用于執(zhí)行異步通信。無緩沖通道保證在發(fā)送和接收發(fā)生的瞬間兩個(gè)goroutine之間的交換。緩沖通道沒有這樣的保證。

通道由make函數(shù)創(chuàng)建，該函數(shù)指定chan關(guān)鍵字和通道的元素類型。

這是創(chuàng)建無緩沖和緩沖通道的代碼塊：

語法

使用內(nèi)置函數(shù)make創(chuàng)建無緩沖和緩沖通道。make的第一個(gè)參數(shù)需要關(guān)鍵字chan，然后是通道允許交換的數(shù)據(jù)類型。

這是將值發(fā)送到通道的代碼塊需要使用-運(yùn)算符：

語法

一個(gè)包含5個(gè)值的緩沖區(qū)的字符串類型的goroutine1通道。然后我們通過通道發(fā)送字符串“Australia”。

這是從通道接收值的代碼塊：

語法

- 運(yùn)算符附加到通道變量（goroutine1）的左側(cè)，以接收來自通道的值。

在無緩沖通道中，在接收到任何值之前沒有能力保存它。在這種類型的通道中，發(fā)送和接收goroutine在任何發(fā)送或接收操作完成之前的同一時(shí)刻都準(zhǔn)備就緒。如果兩個(gè)goroutine沒有在同一時(shí)刻準(zhǔn)備好，則通道會(huì)讓執(zhí)行其各自發(fā)送或接收操作的goroutine首先等待。同步是通道上發(fā)送和接收之間交互的基礎(chǔ)。沒有另一個(gè)就不可能發(fā)生。

在緩沖通道中，有能力在接收到一個(gè)或多個(gè)值之前保存它們。在這種類型的通道中，不要強(qiáng)制goroutine在同一時(shí)刻準(zhǔn)備好執(zhí)行發(fā)送和接收。當(dāng)發(fā)送和接收阻塞時(shí)也有不同的條件。只有當(dāng)通道中沒有要接收的值時(shí)，接收才會(huì)阻塞。僅當(dāng)沒有可用緩沖區(qū)來放置正在發(fā)送的值時(shí)，發(fā)送才會(huì)阻塞。

實(shí)例

運(yùn)行結(jié)果

go的有緩沖chann和無緩沖chan的區(qū)別

有緩沖chan不容易阻塞

無緩沖chan是同步的，就是在一個(gè)協(xié)程里面塞(取)，另外一個(gè)操作必須即刻執(zhí)行否則就會(huì)阻塞

程序的執(zhí)行是以棧的方式逐步執(zhí)行的，如此就能知道什么時(shí)候會(huì)阻塞了！

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