哈喽,大家好,我是
asong
。最近无聊看了一下Go
语言的面试八股文,发现面试官都喜欢问内存逃逸这个话题,这个激起了我的兴趣,我对内存逃逸的了解很浅,所以找了很多文章精读了一下,在这里做一个总结,方便日后查阅、学习。
初次看到这个话题,我是懵逼的,怎么还有内存逃逸,内存逃逸到底是干什么的?接下来我们一起来看看什么是内存逃逸。
我们都知道一般情况下程序存放在rom
或者Flash
中,运行时需要拷贝到内存中执行,内存会分别存储不同的信息,内存空间包含两个最重要的区域:堆区(Stack)和栈区(Heap),对于我这种C
语言出身的人,对堆内存和栈内存的了解还是挺深的。在C
语言中,栈区域会专门存放函数的参数、局部变量等,栈的地址从内存高地址往低地址增长,而堆内存正好相反,堆地址从内存低地址往高地址增长,但是如果我们想在堆区域分配内存需要我们手动调用malloc
函数去堆区域申请内存分配,然后我使用完了还需要自己手动释放,如果没有释放就会导致内存泄漏。写过C
语言的朋友应该都知道C
语言函数是不能返回局部变量地址(特指存放于栈区的局部变量地址),除非是局部静态变量地址,字符串常量地址、动态分配地址。其原因是一般局部变量的作用域只在函数内,其存储位置在栈区中,当程序调用完函数后,局部变量会随此函数一起被释放。其地址指向的内容不明(原先的数值可能不变,也可能改变)。而局部静态变量地址和字符串常量地址存放在数据区,动态分配地址存放在堆区,函数运行结束后只会释放栈区的内容,而不会改变数据区和堆区。
所以在C
语言中我们想在一个函数中返回局部变量地址时,有三个正确的方式:返回静态局部变量地址、返回字符串常量地址,返回动态分配在堆上的地址,因为他们都不在栈区,即使释放函数,其内容也不会受影响,我们以在返回堆上内存地址为例看一段代码:
#include 'stdio.h'
#include 'stdlib.h'
//返回动态分配的地址
int* f1()
{
int a = 9;
int *pa = (int*) malloc(8);
*pa = a;
return pa;
}
int main()
{
int *pb;
pb = f1();
printf('after : *pb = %d\tpb = %p\n',*pb, pb);
free(pb);
return 1;
}
通过上面的例子我们知道在C
语言中动态内存的分配与释放完全交与程序员的手中,这样就会导致我们在写程序时如履薄冰,好处是我们可以完全掌控内存,缺点是我们一不小心就会导致内存泄漏,所以很多现代语言都有GC
机制,Go
就是一门带垃圾回收的语言,真正解放了我们程序员的双手,我们不需要在像写C
语言那样考虑是否能返回局部变量地址了,内存管理交与给编译器,编译器会经过逃逸分析把变量合理的分配到'正确'的地方。
说到这里,可以简单总结一下什么是内存逃逸了:
在一段程序中,每一个函数都会有自己的内存区域存放自己的局部变量、返回地址等,这些内存会由编译器在栈中进行分配,每一个函数都会分配一个栈桢,在函数运行结束后进行销毁,但是有些变量我们想在函数运行结束后仍然使用它,那么就需要把这个变量在堆上分配,这种从'栈'上逃逸到'堆'上的现象就成为内存逃逸。
上面我们知道了什么是内存逃逸,下面我们就来看一看什么是逃逸分析?
上文我们说到C
语言使用malloc
在堆上动态分配内存后,还需要手动调用free
释放内存,如果不释放就会造成内存泄漏的风险。在Go
语言中堆内存的分配与释放完全不需要我们去管了,Go
语言引入了GC
机制,GC
机制会对位于堆上的对象进行自动管理,当某个对象不可达时(即没有其对象引用它时),他将会被回收并被重用。虽然引入GC
可以让开发人员降低对内存管理的心智负担,但是GC
也会给程序带来性能损耗,当堆内存中有大量待扫描的堆内存对象时,将会给GC
带来过大的压力,虽然Go
语言使用的是标记清除算法,并且在此基础上使用了三色标记法和写屏障技术,提高了效率,但是如果我们的程序仍在堆上分配了大量内存,依赖会对GC
造成不可忽视的压力。因此为了减少GC
造成的压力,Go
语言引入了逃逸分析,也就是想法设法尽量减少在堆上的内存分配,可以在栈中分配的变量尽量留在栈中。
小结逃逸分析:
逃逸分析就是指程序在编译阶段根据代码中的数据流,对代码中哪些变量需要在栈中分配,哪些变量需要在堆上分配进行静态分析的方法。堆和栈相比,堆适合不可预知大小的内存分配。但是为此付出的代价是分配速度较慢,而且会形成内存碎片。栈内存分配则会非常快。栈分配内存只需要两个CPU指令:“PUSH”和“RELEASE”,分配和释放;而堆分配内存首先需要去找到一块大小合适的内存块,之后要通过垃圾回收才能释放。所以逃逸分析更做到更好内存分配,提高程序的运行速度。
Go
语言中的逃逸分析Go
语言的逃逸分析总共实现了两个版本:
粗略看了一下逃逸分析的代码,大概有1500+
行(go1.15.7)。代码我倒是没仔细看,注释我倒是仔细看了一遍,注释写的还是很详细的,代码路径:src/cmd/compile/internal/gc/escape.go,大家可以自己看一遍注释,其逃逸分析原理如下:
pointers to stack objects cannot be stored in the heap
:指向栈对象的指针不能存储在堆中pointers to a stack object cannot outlive that object
:指向栈对象的指针不能超过该对象的存活期,也就说指针不能在栈对象被销毁后依旧存活。(例子:声明的函数返回并销毁了对象的栈帧,或者它在循环迭代中被重复用于逻辑上不同的变量)我们大概知道它的分析准则是什么就好了,具体逃逸分析是怎么做的,感兴趣的同学可以根据源码自行研究。
既然逃逸分析是在编译阶段进行的,那我们就可以通过go build -gcflags '-m -m -l'
命令查看到逃逸分析的结果,我们之前在分析内联优化时使用的-gcflags '-m -m'
,能看到所有的编译器优化,这里使用-l
禁用掉内联优化,只关注逃逸优化就好了。
现在我们也知道了逃逸分析,接下来我们就看几个逃逸分析的例子。
先看例子:
func Add(x,y int) *int {
res := 0
res = x + y
return &res
}
func main() {
Add(1,2)
}
查看逃逸分析结果:
go build -gcflags='-m -m -l' ./test1.go
# command-line-arguments
./test1.go:6:9: &res escapes to heap
./test1.go:6:9: from ~r2 (return) at ./test1.go:6:2
./test1.go:4:2: moved to heap: res
分析结果很明了,函数返回的局部变量是一个指针变量,当函数Add
执行结束后,对应的栈桢就会被销毁,但是引用已经返回到函数之外,如果我们在外部解引用地址,就会导致程序访问非法内存,就像上面的C
语言的例子一样,所以编译器经过逃逸分析后将其在堆上分配内存。
先看一个例子:
func main() {
str := 'asong太帅了吧'
fmt.Printf('%v',str)
}
查看逃逸分析结果:
go build -gcflags='-m -m -l' ./test2.go
# command-line-arguments
./test2.go:9:13: str escapes to heap
./test2.go:9:13: from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:13
./test2.go:9:13: from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:13
./test2.go:9:13: from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:13
./test2.go:9:13: main ... argument does not escape
str
是main
函数中的一个局部变量,传递给fmt.Println()
函数后发生了逃逸,这是因为fmt.Println()
函数的入参是一个interface{}
类型,如果函数参数为interface{}
,那么在编译期间就很难确定其参数的具体类型,也会发送逃逸。
观察这个分析结果,我们可以看到没有moved to heap: str
,这也就是说明str
变量并没有在堆上进行分配,只是它存储的值逃逸到堆上了,也就说任何被str
引用的对象必须分配在堆上。如果我们把代码改成这样:
func main() {
str := 'asong太帅了吧'
fmt.Printf('%p',&str)
}
查看逃逸分析结果:
go build -gcflags='-m -m -l' ./test2.go
# command-line-arguments
./test2.go:9:18: &str escapes to heap
./test2.go:9:18: from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:12
./test2.go:9:18: from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:12
./test2.go:9:18: from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:12
./test2.go:9:18: &str escapes to heap
./test2.go:9:18: from &str (interface-converted) at ./test2.go:9:18
./test2.go:9:18: from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:12
./test2.go:9:18: from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:12
./test2.go:9:18: from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:12
./test2.go:8:2: moved to heap: str
./test2.go:9:12: main ... argument does not escape
这回str
也逃逸到了堆上,在堆上进行内存分配,这是因为我们访问str
的地址,因为入参是interface
类型,所以变量str
的地址以实参的形式传入fmt.Printf
后被装箱到一个interface{}
形参变量中,装箱的形参变量的值要在堆上分配,但是还要存储一个栈上的地址,也就是str
的地址,堆上的对象不能存储一个栈上的地址,所以str
也逃逸到堆上,在堆上分配内存。(这里注意一个知识点:Go语言的参数传递只有值传递)
func Increase() func() int {
n := 0
return func() int {
n++
return n
}
}
func main() {
in := Increase()
fmt.Println(in()) // 1
}
查看逃逸分析结果:
go build -gcflags='-m -m -l' ./test3.go
# command-line-arguments
./test3.go:10:3: Increase.func1 capturing by ref: n (addr=true assign=true width=8)
./test3.go:9:9: func literal escapes to heap
./test3.go:9:9: from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
./test3.go:9:9: func literal escapes to heap
./test3.go:9:9: from &(func literal) (address-of) at ./test3.go:9:9
./test3.go:9:9: from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
./test3.go:10:3: &n escapes to heap
./test3.go:10:3: from func literal (captured by a closure) at ./test3.go:9:9
./test3.go:10:3: from &(func literal) (address-of) at ./test3.go:9:9
./test3.go:10:3: from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
./test3.go:8:2: moved to heap: n
./test3.go:17:16: in() escapes to heap
./test3.go:17:16: from ... argument (arg to ...) at ./test3.go:17:13
./test3.go:17:16: from *(... argument) (indirection) at ./test3.go:17:13
./test3.go:17:16: from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test3.go:17:13
./test3.go:17:13: main ... argument does not escape
因为函数也是一个指针类型,所以匿名函数当作返回值时也发生了逃逸,在匿名函数中使用外部变量n
,这个变量n
会一直存在直到in
被销毁,所以n
变量逃逸到了堆上。
我们先使用ulimit -a
查看操作系统的栈空间:
ulimit -a
-t: cpu time (seconds) unlimited
-f: file size (blocks) unlimited
-d: data seg size (kbytes) unlimited
-s: stack size (kbytes) 8192
-c: core file size (blocks) 0
-v: address space (kbytes) unlimited
-l: locked-in-memory size (kbytes) unlimited
-u: processes 2784
-n: file descriptors 256
我的电脑的栈空间大小是8192
,所以根据这个我们写一个测试用例:
package main
import (
'math/rand'
)
func LessThan8192() {
nums := make([]int, 100) // = 64KB
for i := 0; i < len(nums); i++ {
nums[i] = rand.Int()
}
}
func MoreThan8192(){
nums := make([]int, 1000000) // = 64KB
for i := 0; i < len(nums); i++ {
nums[i] = rand.Int()
}
}
func NonConstant() {
number := 10
s := make([]int, number)
for i := 0; i < len(s); i++ {
s[i] = i
}
}
func main() {
NonConstant()
MoreThan8192()
LessThan8192()
}
查看逃逸分析结果:
go build -gcflags='-m -m -l' ./test4.go
# command-line-arguments
./test4.go:8:14: LessThan8192 make([]int, 100) does not escape
./test4.go:16:14: make([]int, 1000000) escapes to heap
./test4.go:16:14: from make([]int, 1000000) (non-constant size) at ./test4.go:16:14
./test4.go:25:11: make([]int, number) escapes to heap
./test4.go:25:11: from make([]int, number) (non-constant size) at ./test4.go:25:11
我们可以看到,当栈空间足够时,不会发生逃逸,但是当变量过大时,已经完全超过栈空间的大小时,将会发生逃逸到堆上分配内存。
同样当我们初始化切片时,没有直接指定大小,而是填入的变量,这种情况为了保证内存的安全,编译器也会触发逃逸,在堆上进行分配内存。
本文到这里结束了,这篇文章我们一起分析了什么是内存逃逸以及Go
语言中的逃逸分析,上面只列举了几个例子,因为发生的逃逸的情况是列举不全的,我们只需要了解什么是逃逸分析,了解逃逸的策略就可以了,后面在实战中可以根据具体代码具体分析,写出更优质的代码。
最后对逃逸做一个总结:
GC
压力,提高程序的运行速度GC
处理,堆上内存使用完毕会交给GC
处理GC
压力,提高性能联系客服