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Go語言內(nèi)存逃逸之謎

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「后端技術(shù)指南針」，作者大白。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系后端技術(shù)指南針公眾號。

我們在高中學(xué)過一些天體物理的知識，比如常見的三個宇宙速度：

  • 第一宇宙速度：航天器逃離地面圍繞地球做圓周運動的最小速度：7.9km/s
  • 第二宇宙速度：航天器逃離地球的最小速度：11.18km/s
  • 第三宇宙速度：航天器逃離太陽系的最小速度：16.64km/s

了解了航天器的逃逸行為，我們今天來點特別的：內(nèi)存逃逸。

通過本文你將了解到以下內(nèi)容：

  • C/C++的內(nèi)存布局和堆棧
  • Go的內(nèi)存逃逸和逃逸分析
  • 內(nèi)存逃逸的小結(jié)

Part1C/C++的內(nèi)存布局和堆棧

這應(yīng)該是一道出現(xiàn)頻率極高的面試題。

C/C++作為靜態(tài)強(qiáng)類型語言，編譯成二進(jìn)制文件后，運行時整個程序的內(nèi)存空間分為：

  • 內(nèi)核空間 Kernel Space
  • 用戶空間 User Space

內(nèi)核空間主要存放進(jìn)程運行時的一些控制信息，用戶空間則是存放程序本身的一些信息，我們來看下用戶空間的布局：

堆和棧的主要特點：

  • 棧區(qū)(Stack)：由編譯器自動分配釋放，存儲函數(shù)的參數(shù)值，局部變量值等，但是空間一般較小數(shù)KB~數(shù)MB
  • 堆區(qū)(Heap)：C/C++沒有GC機(jī)制，堆內(nèi)存一般由程序員申請和釋放，空間較大，能否用好取決于使用者的水平

Go語言與C語言淵源極深，C語言面臨的問題，Go同樣會面對，比如：變量的內(nèi)存分配問題。

  • 在C語言中，需要程序員自己根據(jù)需要來確定采用堆還是棧，棧內(nèi)存由OS全權(quán)負(fù)責(zé)，但是堆內(nèi)存需要顯式調(diào)用malloc/new等函數(shù)申請，并且對應(yīng)調(diào)用free/delete來釋放。
  • Go語言具有垃圾回收Garbage Collection機(jī)制來進(jìn)行堆內(nèi)存管理，并且沒有像malloc/new這種堆內(nèi)存分配的關(guān)鍵字。
  • 棧內(nèi)存的分配和釋放開銷非常小，堆內(nèi)存對于Go來說開銷比棧內(nèi)存大很多。

Part2Go的內(nèi)存逃逸和逃逸分析

如果寫過C/C++都會知道，在函數(shù)內(nèi)部聲明局部變量，然后返回其指針，如果外部調(diào)用則會報錯：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. #include 
    2. 
  
  
  
  
  2. using namespace std;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. int* getValue()
    5. 
  
  
  
  
  5. {
    6. 
  
  
  
  
  6.  int val = 10086;
    7. 
  
  
  
  
  7.  return &val;
    8. 
  
  
  
  
  8. }
    9. 
  
  
  
  
  9. 
  
  
  
  
  10. int main()
    11. 
  
  
  
  
  11. {
    12. 
  
  
  
  
  12.    cout<<*getValue()<
  
  
  
  
  13.    return 0;
    14. 
  
  
  
  
  14. }
    15.

編譯上述代碼：main.cpp: In function ‘int* getValue()’: main.cpp:7:9: warning: address of local variable ‘val’ returned [-Wreturn-local-addr]

用同樣的思想，寫一個go版本的代碼：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. package main
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. import (
    4. 
  
  
  
  
  4.  "fmt"
    5. 
  
  
  
  
  5. )
    6. 
  
  
  
  
  6. 
  
  
  
  
  7. func main() {
    8. 
  
  
  
  
  8.     str := GetString()
    9. 
  
  
  
  
  9.     fmt.Println(*str)
    10. 
  
  
  
  
  10. }
    11. 
  
  
  
  
  11. 
  
  
  
  
  12. func GetString() *string {
    13. 
  
  
  
  
  13.     var s string
    14. 
  
  
  
  
  14.     s = "hello world"
    15. 
  
  
  
  
  15.     return &s
    16. 
  
  
  
  
  16. }
    17.

代碼卻可以正常運行，我們本意是在棧上分配一個變量，用完就銷毀，但是外部卻調(diào)用了，甚至可以正常進(jìn)行，表現(xiàn)和C++完全不同。

其實，這就是Go的內(nèi)存逃逸現(xiàn)象，Go模糊了棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的界限，具體來說變量究竟分配到哪里，是由編譯器來決定的。

1逃逸分析escape analysis

所謂逃逸分析就是在編譯階段由編譯器根據(jù)變量的類型、外部使用情況等因素來判定是分配到堆還是棧，從而替代人工處理。

一般將局部變量和參數(shù)分配到棧上，但是并不絕對：

  • 如果編譯器不能確定在函數(shù)返回時，變量是否被使用則分配到堆上
  • 如果局部變量非常大，也會分配到堆上
  • ......

編譯器不清楚局部變量是否會被外部使用時，就會傾向于分配到堆上。

Go編譯器在確定函數(shù)返回后不會再被引用時才分配到棧上，其他情況下都是分配到堆上。

這樣做雖然浪費堆空間，但是有效避免了懸掛指針的出現(xiàn)，并且由于GC的存在也不會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，權(quán)衡之下也是一種合理的做法。

2哪些情況會出現(xiàn)內(nèi)存逃逸

對于Go來說，在日常使用中有幾種常見的做法會導(dǎo)致內(nèi)存逃逸現(xiàn)象的出現(xiàn)：

  • 指針逃逸
  • 棧空間不足逃逸
  • map/slice/interface/channel的使用
  • ......

指針逃逸

在上一個例子中我們使用一個int指針來說明內(nèi)存逃逸的現(xiàn)象，接下來我們擴(kuò)展一下變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)體指針，并且使用gcflags來給編譯器傳特定參數(shù)來觀察逃逸現(xiàn)象：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // test.go
    2. 
  
  
  
  
  2. package main
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. import "fmt"
    5. 
  
  
  
  
  5. 
  
  
  
  
  6. type Escape struct {
    7. 
  
  
  
  
  7.  who string
    8. 
  
  
  
  
  8. }
    9. 
  
  
  
  
  9. 
  
  
  
  
  10. func CallInstance(caller string) (*Escape) {
    11. 
  
  
  
  
  11.  instance := new(Escape)
    12. 
  
  
  
  
  12.  instance.who = caller
    13. 
  
  
  
  
  13.  return instance
    14. 
  
  
  
  
  14. }
    15. 
  
  
  
  
  15. 
  
  
  
  
  16. func main() {
    17. 
  
  
  
  
  17.  outer := CallInstance("hello world")
    18. 
  
  
  
  
  18.  fmt.Println(outer.who)
    19. 
  
  
  
  
  19. }
    20.

執(zhí)行：go build -gcflags=-m test.go 如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. # command-line-arguments
    2. 
  
  
  
  
  2. ./test.go:9:6: can inline CallInstance
    3. 
  
  
  
  
  3. ./test.go:16:23: inlining call to CallInstance
    4. 
  
  
  
  
  4. ./test.go:17:13: inlining call to fmt.Println
    5. 
  
  
  
  
  5. ./test.go:9:19: leaking param: caller
    6. 
  
  
  
  
  6. ./test.go:10:17: new(Escape) escapes to heap
    7. 
  
  
  
  
  7. ./test.go:16:23: main new(Escape) does not escape
    8. 
  
  
  
  
  8. ./test.go:17:19: outer.who escapes to heap
    9. 
  
  
  
  
  9. ./test.go:17:13: main []interface {} literal does not escape
    10. 
  
  
  
  
  10. ./test.go:17:13: io.Writer(os.Stdout) escapes to heap
    11. 
  
  
  
  
  11. :1: (*File).close .this does not escape
    12.

我們可以看到"escapes to heap"，確實出現(xiàn)了內(nèi)存逃逸，本該在棧上逃逸到堆上了。

棧空間不足逃逸

對于64bit的Linux系統(tǒng)而言棧的大小一般是8MB，Go中每個goroutine初始化棧大小是2KB，在goroutine的運行過程中棧的大小可能會變化，但也不會超過OS對線程棧大小的限制。

在網(wǎng)上找了個例子，用mac跑了一下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. package main
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. import "math/rand"
    4. 
  
  
  
  
  4. 
  
  
  
  
  5. func generate8191() {
    6. 
  
  
  
  
  6.  nums := make([]int, 8191) // < 64KB
    7. 
  
  
  
  
  7.  for i := 0; i < 8191; i++ {
    8. 
  
  
  
  
  8.   nums[i] = rand.Int()
    9. 
  
  
  
  
  9.  }
    10. 
  
  
  
  
  10. }
    11. 
  
  
  
  
  11. 
  
  
  
  
  12. func generate8192() {
    13. 
  
  
  
  
  13.  nums := make([]int, 8192) // = 64KB
    14. 
  
  
  
  
  14.  for i := 0; i < 8192; i++ {
    15. 
  
  
  
  
  15.   nums[i] = rand.Int()
    16. 
  
  
  
  
  16.  }
    17. 
  
  
  
  
  17. }
    18. 
  
  
  
  
  18. 
  
  
  
  
  19. func generate(n int) {
    20. 
  
  
  
  
  20.  nums := make([]int, n) // 不確定大小
    21. 
  
  
  
  
  21.  for i := 0; i < n; i++ {
    22. 
  
  
  
  
  22.   nums[i] = rand.Int()
    23. 
  
  
  
  
  23.  }
    24. 
  
  
  
  
  24. }
    25. 
  
  
  
  
  25. 
  
  
  
  
  26. func main() {
    27. 
  
  
  
  
  27.     generate8191()
    28. 
  
  
  
  
  28.     generate8192()
    29. 
  
  
  
  
  29.     generate(1)
    30. 
  
  
  
  
  30. }
    31. 
 
 
 
 
 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. # command-line-arguments
    2. 
  
  
  
  
  2. ./test_3.go:6:14: generate8191 make([]int, 8191) does not escape
    3. 
  
  
  
  
  3. ./test_3.go:13:14: make([]int, 8192) escapes to heap
    4. 
  
  
  
  
  4. ./test_3.go:20:14: make([]int, n) escapes to heap
    5.

可以看到在分配8191個大小時未發(fā)生逃逸，在分配8192時發(fā)生了逃逸，不定長度也發(fā)生了逃逸。

其他情況

在go中map、interface、slice、interface是非常常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也是非常容易觸發(fā)內(nèi)存逃逸的根源。

  • 向channel中發(fā)送指針或者帶指針的值，因為在編譯時沒有辦法知道哪個goroutine會在channel上接收數(shù)據(jù)。所以編譯器沒法知道變量什么時候才會被釋放。
  • slice中指針或帶指針的值，這會導(dǎo)致切片的內(nèi)容逃逸，盡管其后面的數(shù)組可能是在棧上分配的，但其引用的值一定是在堆上。
  • slice數(shù)組擴(kuò)容也可能導(dǎo)致內(nèi)存逃逸，如果切片背后的存儲要基于運行時的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充，就會在堆上分配。
  • interface類型可以代表任意類型，編譯器不知道參數(shù)會是什么類型，只有運行時才知道，因此只能分配到堆上。

Part3內(nèi)存逃逸小結(jié)

我們該如何評價內(nèi)存逃逸呢?

  • Go語言對用戶來說模糊了堆內(nèi)存和棧內(nèi)存的分配，編譯器借助于逃逸分析來實現(xiàn)特定場景的內(nèi)存逃逸。
  • 任何事情都是兩面性，Go語言借助于內(nèi)存逃逸和GC機(jī)制解放了程序員，但是同時也帶來了性能問題，因為堆內(nèi)存的分配和釋放都是需要成本的。
  • Go的編譯器在很多時候無法確定該如何分配內(nèi)存，因此只能采用一種穩(wěn)妥但有失性能的做法，分配到堆上。
  • 意識里指針傳遞比值傳遞更高效，但是在Go中并非如此，如果指針傳遞出現(xiàn)內(nèi)存逃逸將內(nèi)存分配到堆上后續(xù)就有會GC操作，消耗比值傳遞更大。
  • 如果明確不需要外部使用，就需要盡量避免內(nèi)存逃逸，不要一味完全依賴編譯器本身。

網(wǎng)站欄目：Go語言內(nèi)存逃逸之謎
文章源于：http://www.dlmjj.cn/article/dhpcejo.html