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淺析Golang中的內(nèi)存逃逸_Golang

作者：紫葡萄 ? 更新時間： 2022-11-25 編程語言

什么是內(nèi)存逃逸分析

內(nèi)存逃逸分析是go的編譯器在編譯期間，根據(jù)變量的類型和作用域，確定變量是堆上還是棧上

簡單說就是編譯器在編譯期間，對代碼進行分析，確定變量分配內(nèi)存的位置。如果變量需要分配在堆上，則稱作內(nèi)存逃逸了。

為什么需要逃逸分析

因為go語言是自動自動內(nèi)存管理的，也就是有GC的。開發(fā)者在寫代碼的時候不需要關(guān)心考慮內(nèi)存釋放的問題，這樣編譯器和go運行時（runtime）就需要準確分配和管理內(nèi)存，所以編譯器在編譯期間要確定變量是放在堆空間和棧空間。

如果變量放錯了位置會怎樣

我們知道，棧空間和生命周期是和函數(shù)生命周期相關(guān)的，如果一個函數(shù)的局部變量離開了函數(shù)的范圍，比如函數(shù)結(jié)束時，局部變量就會失效。所以要把這樣的變量放到堆空間上。

既然如此，那把所有在變量都放在堆上不就行了，這樣一來，是沒啥問題了，但是堆內(nèi)存的使用成本比占內(nèi)存要高好多。使用堆內(nèi)存，要向操作系統(tǒng)申請和歸還，而占內(nèi)存是程序運行時就確定好了，如何使用完全由程序自己確定。在棧上分配和回收內(nèi)存成本很低，只需要 2 個 CPU 指令：PUSH 和 POP，push 將數(shù)據(jù)放到到棧空間完成分配，pop 則是釋放空間。

比如 C++ 經(jīng)典錯誤，return 一個 函數(shù)內(nèi)部變量的指針

#include<iostream>

int* one(){
    int i = 10;
    return &i;
}

int main(){
    std::cout << *one();
}

這段代碼在編譯的時候會如下警告:

one.cpp: 在函數(shù)‘int* one()’中:
one.cpp:4:6: 警告：返回了局部變量的‘i’的地址 [-Wreturn-local-addr]
? int i = 10;
? ? ? ^

雖然程序的運行結(jié)果大多數(shù)時候都和我們預(yù)期的一樣，但是這樣的代碼還是有風(fēng)險的。

這樣的代碼在go里就完全沒有問題了，因為go的編譯器會根據(jù)變量的作用范圍確定變量是放在棧上和堆上。

內(nèi)存逃逸場景

go的編譯器提供了逃逸分析的工具，只需要在編譯的時候加上 -gcflags=-m 就可以看到逃逸分析的結(jié)果了

常見的有4種場景下會出現(xiàn)內(nèi)存逃逸

return 局部變量的指針

package main

func main() {

}

func One() *int {
   i := 10
   return &i
}

執(zhí)行 go build -gcflags=-m main.go

# command-line-arguments
.\main.go:3:6: can inline main
.\main.go:7:6: can inline One
.\main.go:8:2: moved to heap: i

可以看到變量 i 已經(jīng)被分配到堆上了

interface{} 動態(tài)類型

當函數(shù)傳遞的變量類型是 interface{} 類型的時候，因為編譯器無法推斷運行時變量的實際類型，所以也會發(fā)生逃逸

package main

import "fmt"

func main() {
   i := 10
   fmt.Println(i)
}

執(zhí)行 go build -gcflags=-m .\main.go

.\main.go:11:13: inlining call to fmt.Println
.\main.go:11:13: i escapes to heap
.\main.go:11:13: []interface {} literal does not escape
<autogenerated>:1: .this does not escape
<autogenerated>:1: .this does not escape

可看到，i 也被分配到棧上了

棧空間不足

因為棧的空間是有限的，所以在分配大塊內(nèi)存時，會考慮棧空間內(nèi)否存下，如果棧空間存不下，會分配到堆上。

package main

func main() {
   Make10()
   Make100()
   Make10000()
   MakeN(5)
}

func Make10() {
   arr10 := make([]int, 10)
   _ = arr10
}

func Make100() {
   arr100 := make([]int, 100)
   _ = arr100
}

func Make10000() {
   arr10000 := make([]int, 10000)
   _ = arr10000
}

func MakeN(n int) {
   arrN := make([]int, n)
   _ = arrN
}

執(zhí)行 go build -gcflags=-m main.go

# command-line-arguments
.\main.go:10:6: can inline Make10
.\main.go:15:6: can inline Make100
.\main.go:20:6: can inline Make10000
.\main.go:25:6: can inline MakeN
.\main.go:3:6: can inline main
.\main.go:4:8: inlining call to Make10
.\main.go:5:9: inlining call to Make100
.\main.go:6:11: inlining call to Make10000
.\main.go:7:7: inlining call to MakeN
.\main.go:4:8: make([]int, 10) does not escape
.\main.go:5:9: make([]int, 100) does not escape
.\main.go:6:11: make([]int, 10000) escapes to heap
.\main.go:7:7: make([]int, n) escapes to heap
.\main.go:11:15: make([]int, 10) does not escape
.\main.go:16:16: make([]int, 100) does not escape
.\main.go:21:18: make([]int, 10000) escapes to heap
.\main.go:26:14: make([]int, n) escapes to heap

可以看到當需要分配長度為10，100的int類型的slice時，不需要逃逸到堆上，在棧上就可以，如果slice長度達到1000時，就需要分配到堆上了。

還有一種情況，當在編譯期間長度不確定時，也需要分配到堆上。

閉包

package main

func main() {
   One()
}

func One() func() {
   n := 10
   return func() {
      n++
   }
}

在函數(shù)One中return了一個匿名函數(shù)，形成了一個閉包，看一下逃逸分析

# command-line-arguments
.\main.go:3:6: can inline main
.\main.go:9:9: can inline One.func1
.\main.go:8:2: moved to heap: n
.\main.go:9:9: func literal escapes to heap

可以看到 變量 n 也分配到堆上了

還有一種情況，new 出來的變量不一定分配到堆上

package main

func main() {
   i := new(int)
   _ = i
}

像java C++等語言，new 出來的變量正常都會分配到堆上，但是在go里，new出來的變量不一定分配到堆上，至于分配到哪里，還是看編譯器的逃逸分析來確定

編譯一下看看 go build -gcflags=-m main.go

# command-line-arguments
.\main.go:3:6: can inline main
.\main.go:4:10: new(int) does not escape

可以看到 new出來的變量，并沒有逃逸，還是在棧上。

常見的內(nèi)存逃逸場景差不多就是這些了，再說一下內(nèi)存逃逸帶來的影響吧

性能

那肯定就是性能問題了，因為操作棧空間比堆空間要快多了，而且使用堆空間還會有GC問題，頻繁的創(chuàng)建和釋放堆空間，會增加GC的壓力

一個簡單的例子測試一下，一般來說，函數(shù)返回結(jié)構(gòu)體的指針比直接返回結(jié)構(gòu)體性能要好

package main

import "testing"

type MyStruct struct {
   A int
}

func BenchmarkOne(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      One()
   }
}

//go:noinline
func One() MyStruct {
   return MyStruct{
      A: 10,
   }
}

func BenchmarkTwo(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      Two()
   }
}

//go:noinline
func Two() *MyStruct {
   return &MyStruct{
      A: 10,
   }
}

注意 被調(diào)用的函數(shù)一定要加上 //go:noinline 來禁止編譯器內(nèi)聯(lián)優(yōu)化

然后執(zhí)行

go test -bench . -benchmem

goos: windows
goarch: amd64
pkg: escape
BenchmarkOne-6          951519297                1.26 ns/op            0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkTwo-6          74933496                15.4 ns/op             8 B/op          1 allocs/op
PASS
ok      escape  2.698s

可以明顯看到 函數(shù) One返回結(jié)構(gòu)體 比 函數(shù)Two 返回 結(jié)構(gòu)體指針 的性能更好，而且還不會有內(nèi)存分配，不會增加GC壓力

拋開結(jié)構(gòu)體的大小談性能都是耍流氓，如果結(jié)構(gòu)體比較復(fù)雜了還是指針性能更高，還有一些場景必須使用指針，所以實際工作中還是要分場景合理使用

最后

常見的go 逃逸分析差不多就是這些了，雖然go會自動管理內(nèi)存，減小了寫代碼的負擔，但是想要寫出高效可靠的代碼還是有一些細節(jié)有注意的。

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7154711508142784526

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