王中阳Go

V1

2022/11/24阅读:23主题:橙心

先聊聊「堆栈」,再聊聊「逃逸分析」。Let’s Go!

要搞清楚GO的逃逸分析一定要先搞清楚内存分配和堆栈:

内存分配既可以分配到堆中,也可以分配到栈中。

什么样的数据会被分配到栈中,什么样的数据又会被分配到堆中呢?

GO语言是如何进行内存分配的呢?其设计初衷和实现原理是什么呢?

我们先来聊一下内存管理、堆、栈的知识点:

内存管理

内存管理主要包括两个动作:分配与释放。逃逸分析就是服务于内存分配。

在Go中,栈的内存是由编译器自动进行分配和释放,栈区往往存储着函数参数、局部变量和调用函数帧,它们随着函数的创建而分配,函数的退出而销毁

一个goroutine对应一个栈,栈是调用栈(call stack)的简称。一个栈通常又包含了许多栈帧(stack frame),它描述的是函数之间的调用关系,每一帧对应一个尚未返回的函数调用,它本身也是以栈形式存放数据。

与栈不同的是,应用程序在运行时只会存在一个堆。

我们可以简单理解为:我们用GO语言开发过程中,要考虑的内存管理只是针对堆内存而言的。

程序在运行期间可以主动从堆上申请内存,这些内存通过Go的内存分配器分配,并由垃圾收集器回收。

堆和栈的对比

加锁

  • 栈不需要加锁:栈是每个goroutine独有的,这就意味着栈上的内存操作是不需要加锁的。

  • 堆有时需要加锁:堆上的内存,有时需要加锁防止多线程冲突

延伸知识点:为什么堆上的内存有时需要加锁?而不是一直需要加锁呢?

因为Go的内存分配策略学习了TCMalloc的线程缓存思想,他为每个处理器P分配了一个mcache,从mcache分配内存也是无锁的

性能

  • 栈内存管理 性能好:栈上的内存,它的分配与释放非常高效的。简单地说,它只需要两个CPU指令:一个是分配入栈,另外一个是栈内释放。只需要借助于栈相关寄存器即可完成。
  • 堆内存管理 性能差:对于程序堆上的内存回收,还需要通过标记清除阶段,例如Go采用的三色标记法。

缓存策略

  • 栈缓存性能更好
  • 堆缓存性能较差

原因是:栈内存能更好地利用CPU的缓存策略,因为栈空间相较于堆来说是更连续的。

逃逸分析

上面说了这么多堆和栈的知识点,目的是为了让大家更好的理解逃逸分析

正如上面讲的,相比于把内存分配到堆中,分配到栈中优势更明显。

Go语言也是这么做的:Go编译器会尽可能将变量分配到到栈上。

但是,当编译器无法证明函数返回的变量有没有被引用时,编译器就必须在堆上分配该变量,以此避免悬挂指针(dangling pointer)的问题。

另外,如果局部变量占用内存非常大,也会将其分配在堆上。

Go是如何确定内存是分配到栈上还是堆上的呢?

答案就是:逃逸分析。

编译器通过逃逸分析技术去选择堆或者栈,逃逸分析的基本思想如下:检查变量的生命周期是否是完全可知的,如果通过检查,则在栈上分配。否则,就是所谓的逃逸,必须在堆上进行分配。

逃逸分析原则

Go语言虽然没有明确说明逃逸分析原则,但是有以下几点准则,是可以参考的。

  • 不同于JAVA JVM的运行时逃逸分析,Go的逃逸分析是在编译期完成的:编译期无法确定的参数类型必定放到堆中;
  • 如果变量在函数外部存在引用,则必定放在堆中;
  • 如果变量占用内存较大时,则优先放到堆中;
  • 如果变量在函数外部没有引用,则优先放到栈中;

逃逸分析举例

我们使用这个命令来查看逃逸分析的结果: go build -gcflags '-m -m -l'

1.参数是interface类型

package main

import "fmt"

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

运行结果

原因分析

因为Println(a ...interface{})的参数是interface{}类型,编译期无法确定其具体的参数类型,所以内存分配到堆中。

2. 变量在函数外部有引用

package main

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

func main() {
_ = test()
}

运行结果

原因分析

变量a在函数外部存在引用。

我们来分析一下执行过程:当函数执行完毕,对应的栈帧就被销毁,但是引用已经被返回到函数之外。如果这时外部通过引用地址取值,虽然地址还在,但是这块内存已经被释放回收了,这就是非法内存。

为了避免上述非法内存的情况,在这种情况下变量的内存分配必须分配到堆上。

3. 变量内存占用较大

package main

func test() {
a := make([]int1000010000)
for i := 0; i < 10000; i++ {
a[i] = i
}
}

func main() {
test()
}

运行结果

原因分析

我们定义了一个容量为10000的int类型切片,发生了逃逸,内存分配到了堆上(heap)。

注意看:

我们再简单修改一下代码,将切片的容量和长度修改为1,再次查看逃逸分析的结果,我们发现,没有发生逃逸,内存默认分类到了栈上。

所以,当变量占用内存较大时,会发生逃逸分析,将内存分配到堆上。

4. 变量大小不确定时

我们再简单修改一下上面的代码:

package main

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

func main() {
test()
}

运行结果

原因分析

我们通过控制台的输出结果可以很明显的看出:发生了逃逸,分配到了heap堆中。

原因是这样的:

我们虽然在代码段中给变量 l 赋值了1,但是编译期间只能识别到初始化int类型切片时,传入的长度和容量是变量l,编译期并不能确定变量l的值,所以发生了逃逸,会把内存分配到堆中。

思考题

好了,我们举了4个逃逸分析的经典案例,相信聪明的你已经理解了逃逸分析的作用和发生逃逸的场景。

我们来想一下,在理解逃逸分析的原理之后,在开发的过程中如何更好的编码,进而提高程序的效率,更好的利用内存呢?

如何实践?

理解逃逸分析一定能帮助我们写出更好的程序。知道变量分配在栈堆之上的差别后,我们就要尽量写出分配在栈上的代码。因为堆上的变量变少后,可以减轻内存分配的开销,减小GC的压力,提高程序的运行速度。

但是我们也要有过犹不及的指导思想。

我认为没有一成不变的开发模式,我们一定是在不断的需求变化,业务变化中求得平衡的:

举个栗子

举个日常开发中函数传参例子:

有些场景下我们不应该传递结构体指针,而应该直接传递结构体。

为什么会这样呢?虽然直接传递结构体需要值拷贝,但是这是在栈上完成的操作,开销远比变量逃逸后动态地在堆上分配内存少的多。

当然这种做法不是绝对的,要根据场景去分析:

  • 如果结构体较大,传递结构体指针更合适,因为指针类型相比值类型能节省大量的内存空间
  • 如果结构体较小,传递结构体更适合,因为在栈上分配内存,可以有效减少GC压力

总结

通过本文的介绍,相信你一定加深了堆栈的理解;搞清楚逃逸分析的作用和原理之后能够指导我们写出更优雅的代码。

我们在日常开发中,要根据实际场景考虑,如何将内存尽量分配到栈中,减少GC的压力,提高性能。

如何找到应用开发效率、程序运行效率、对机器的压力及负载的平衡点,是程序员进阶之旅中的必修课。

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