Go内存分配和逃逸分析-理论篇

今天和大家聊聊Go语言的「内存分配」和「逃逸分析」。

要搞清楚GO的逃逸分析一定要先搞清楚内存分配和堆栈：

内存既可以分配到堆中，也可以分配到栈中。

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？

要搞清楚上面的问题，我们先来聊一下内存管理和堆、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的，而内存的释放由GC负责。

栈

在Go语言中，栈的内存是由编译器自动进行分配和释放的，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，随着函数的退出而销毁。

Go应用程序运行时，每个 goroutine 都维护着一个自己的栈区，这个栈区只能自己使用不能被其他 goroutine 使用。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

堆

与栈不同的是，堆区的内存一般由编译器和工程师自己共同进行管理分配，交给 Runtime GC 来释放。在堆上分配时，必须找到一块足够大的内存来存放新的变量数据。后续释放时，垃圾回收器扫描堆空间寻找不再被使用的对象。

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。

为了方便大家理解，我们再从以下角度对比一下堆栈：

堆和栈的对比

加锁

• 栈不需要加锁：每个goroutine都独享自己的栈空间，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，他为每个处理器分配了一个mcache，注意：从mcache分配内存也是无锁的。

关注我，后面带大家详解这部分知识点。

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，还需要有标记清除阶段，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。

下面就介绍今天的重头戏了：

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，在函数返回后无法证明变量未被引用，则该变量将被分配到堆上，该变量不随函数栈的回收而回收。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([]int, 10000, 10000)
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。

本文转载自微信公众号「 程序员升级打怪之旅」，作者「王中阳Go」，可以通过以下二维码关注。

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