Go 语言内存管理(三):逃逸分析

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Go 语言内存管理(三):逃逸分析,第1张

Go 语言较之 C 语言一个很大的优势就是自带 GC 功能,可 GC 并不是没有代价的。写 C 语言的时候,在一个函数内声明的变量,在函数退出后会自动释放掉,因为这些变量分配在栈上。如果你期望变量的数据可以在函数退出后仍然能被访问,就需要调用malloc 方法在堆上申请内存,如果程序不再需要这块内存了,再调用 free 方法释放掉。Go 语言不需要你主动调用 malloc 来分配堆空间,编译器会自动分析,找出需要 malloc 的变量,使用堆内存。编译器的这个分析过程就叫做逃逸分析。

所以你在一个函数中通过dict := make(map[string]int) 创建一个 map 变量,其背后的数据是放在栈空间上还是堆空间上,是不一定的。这要看编译器分析的结果。

可逃逸分析并不是百分百准确的,它有缺陷。有的时候你会发现有些变量其实在栈空间上分配完全没问题的,但编译后程序还是把这些数据放在了堆上。如果你了解 Go 语言编译器逃逸分析的机制,在写代码的时候就可以有意识地绕开这些缺陷,使你的程序更高效。

Go 语言虽然在内存管理方面降低了编程门槛,即使你不了解堆栈也能正常开发,但如果你要在性能上较真的话,还是要掌握这些基础知识。

这里不对堆内存和栈内存的区别做太多阐述。简单来说就是, 栈分配廉价,堆分配昂贵。 栈空间会随着一个函数的结束自动释放,堆空间需要时间 GC 模块不断地跟踪扫描回收。如果对这两个概念有些迷糊,建议阅读下面 2 个文章:

这里举一个小例子,来对比下堆栈的差别:

stack 函数中的变量 i 在函数退出会自动释放;而 heap 函数返回的是对变量 i 的引用,也就是说 heap() 退出后,表示变量 i 还要能被访问,它会自动被分配到堆空间上。

他们编译出来的代码如下:

逻辑的复杂度不言而喻,从上面的汇编中可看到,heap() 函数调用了 runtime.newobject() 方法,它会调用 mallocgc 方法从 mcache 上申请内存,申请的内部逻辑前面文章已经讲述过。堆内存分配不仅分配上逻辑比栈空间分配复杂,它最致命的是会带来很大的管理成本,Go 语言要消耗很多的计算资源对其进行标记回收(也就是 GC 成本)。

Go 编辑器会自动帮我们找出需要进行动态分配的变量,它是在编译时追踪一个变量的生命周期,如果能确认一个数据只在函数空间内访问,不会被外部使用,则使用栈空间,否则就要使用堆空间。

我们在go build 编译代码时,可使用 -gcflags '-m' 参数来查看逃逸分析日志。

以上面的两个函数为例,编译的日志输出是:

日志中的&i escapes to heap 表示该变量数据逃逸到了堆上。

需要使用堆空间,所以逃逸,这没什么可争议的。但编译器有时会将 不需要 使用堆空间的变量,也逃逸掉。这里是容易出现性能问题的大坑。网上有很多相关文章,列举了一些导致逃逸情况,其实总结起来就一句话:

多级间接赋值容易导致逃逸

这里的多级间接指的是,对某个引用类对象中的引用类成员进行赋值。Go 语言中的引用类数据类型有func , interface , slice , map , chan , *Type(指针) 。

记住公式Data.Field = Value ,如果 Data , Field 都是引用类的数据类型,则会导致 Value 逃逸。这里的等号 = 不单单只赋值,也表示参数传递。

根据公式,我们假设一个变量data 是以下几种类型,相应的可以得出结论:

下面给出一些实际的例子:

如果变量值是一个函数,函数的参数又是引用类型,则传递给它的参数都会逃逸。

上例中te 的类型是 func(*int) ,属于引用类型,参数 *int 也是引用类型,则调用 te(&j) 形成了为 te 的参数(成员) *int 赋值的现象,即 te.i = &j 会导致逃逸。代码中其他几种调用都没有形成 多级间接赋值 情况。

同理,如果函数的参数类型是 slice , map 或 interface{} 都会导致参数逃逸。

匿名函数的调用也是一样的,它本质上也是一个函数变量。有兴趣的可以自己测试一下。

只要使用了Interface 类型(不是 interafce{} ),那么赋值给它的变量一定会逃逸。因为 interfaceVariable.Method() 先是间接的定位到它的实际值,再调用实际值的同名方法,执行时实际值作为参数传递给方法。相当于 interfaceVariable.Method.this = realValue

向 channel 中发送数据,本质上就是为 channel 内部的成员赋值,就像给一个 slice 中的某一项赋值一样。所以chan *Type , chan map[Type]Type , chan []Type , chan interface{} 类型都会导致发送到 channel 中的数据逃逸。

这本来也是情理之中的,发送给 channel 的数据是要与其他函数分享的,为了保证发送过去的指针依然可用,只能使用堆分配。

可变参数如func(arg ...string) 实际与 func(arg []string) 是一样的,会增加一层访问路径。这也是 fmt.Sprintf 总是会使参数逃逸的原因。

例子非常多,这里不能一一列举,我们只需要记住分析方法就好,即,2 级或更多级的访问赋值会 容易 导致数据逃逸。这里加上 容易 二字是因为随着语言的发展,相信这些问题会被慢慢解决,但现阶段,这个可以作为我们分析逃逸现象的依据。

下面代码中包含 2 种很常规的写法,但他们却有着很大的性能差距,建议自己想下为什么。

Benchmark 和 pprof 给出的结果:

熟悉堆栈概念可以让我们更容易看透 Go 程序的性能问题,并进行优化。

多级间接赋值会导致 Go 编译器出现不必要的逃逸,在一些情况下可能我们只需要修改一下数据结构就会使性能有大幅提升。这也是很多人不推荐在 Go 中使用指针的原因,因为它会增加一级访问路径,而map , slice , interface{} 等类型是不可避免要用到的,为了减少不必要的逃逸,只能拿指针开刀了。

大多数情况下,性能优化都会为程序带来一定的复杂度。建议实际项目中还是怎么方便怎么写,功能完成后通过性能分析找到瓶颈所在,再对局部进行优化。

Go语言作为出现比较晚的一门编程语言,在其原生支持高并发、云原生等领域的优秀表现,像目前比较流行的容器编排技术Kubernetes、容器技术Docker都是用Go语言写的,像Java等其他面向对象的语言,虽然也能做云原生相关的开发,但是支持的程度远没有Go语言高,凭借其语言特性和简单的编程方式,弥补了其他编程语言一定程度上的不足,一度成为一个热门的编程语言。

最近在学习Go语言,我之前使用过C#、Java等面向对象编程的语言,发现其中有很多的编程方式和其他语言有区别的地方,好记性不如烂笔头,总结一下,和其他语言做个对比。这里只总结差异的地方,具体的语法不做详细的介绍。

种一棵树最好的时间是十年前,其次是现在。

3)变量初始化时候可以和其他语言一样直接在变量后面加等号,等号后面为要初始化的值,也可以使用变量名:=变量值的简单方式

3)变量赋值 Go语言的变量赋值和多数语言一致,但是Go语言提供了多重赋值的功能,比如下面这个交换i、j变量的语句:

在不支持多重赋值的语言中,交换两个变量的值需要引入一个中间变量:

4)匿名变量

在使用其他语言时,有时候要获取一个值,却因为该函数返回多个值而不得不定义很多没有的变量,Go语言可以借助多重返回值和匿名变量来避免这种写法,使代码看起来更优雅。

假如GetName()函数返回3个值,分别是firstName,lastName和nickName

若指向获得nickName,则函数调用可以这样写

这种写法可以让代码更清晰,从而大幅降低沟通的复杂度和维护的难度。

1)基本常量

常量使用关键字const 定义,可以限定常量类型,但不是必须的,如果没有定义常量的类型,是无类型常量

2)预定义常量

Go语言预定义了这些常量 true、false和iota

iota比较特殊,可以被任务是一个可被编译器修改的常量,在每个const关键字出现时被重置为0,然后在下一个const出现之前每出现一个iota,其所代表的数字会自动加1.

3)枚举

1)int 和int32在Go语言中被认为是两种不同类型的类型

2)Go语言定义了两个浮点型float32和float64,其中前者等价于C语言的float类型,后者等价于C语言的double类型

3)go语言支持复数类型

复数实际上是由两个实数(在计算机中使用浮点数表示)构成,一个表示实部(real)、一个表示虚部(imag)。也就是数学上的那个复数

复数的表示

实部与虚部

对于一个复数z=complex(x,y),就可以通过Go语言内置函数real(z)获得该复数的实部,也就是x,通过imag(z)获得该复数的虚部,也就是y

4)数组(值类型,长度在定义后无法再次修改,每次传递都将产生一个副本。)

5)数组切片(slice)

数组切片(slice)弥补了数组的不足,其数据结构可以抽象为以下三个变量:

6)Map 在go语言中Map不需要引入任何库,使用很方便

Go循环语句只支持for关键字,不支持while和do-while

goto语句的语义非常简单,就是跳转到本函数内的某个标签

今天就介绍到这里,以后我会在总结Go语言在其他方面比如并发编程、面向对象、网络编程等方面的不同及使用方法。希望对大家有所帮助。