首页 > 资讯 > 后端开发 > GO >浅析Golang中的内存逃逸

196

分享到

浅析Golang中的内存逃逸

2024-04-02 19:04:59 196人浏览泡泡鱼

摘要

目录什么是内存逃逸分析为什么需要逃逸分析如果变量放错了位置会怎样内存逃逸场景return 局部变量的指针interface{} 动态类型栈空间不足闭包性能最后什么是内存逃逸分析内存

什么是内存逃逸分析

内存逃逸分析是Go的编译器在编译期间，根据变量的类型和作用域，确定变量是堆上还是栈上

简单说就是编译器在编译期间，对代码进行分析，确定变量分配内存的位置。如果变量需要分配在堆上，则称作内存逃逸了。

为什么需要逃逸分析

因为go语言是自动自动内存管理的，也就是有GC的。开发者在写代码的时候不需要关心考虑内存释放的问题，这样编译器和go运行时（runtime）就需要准确分配和管理内存，所以编译器在编译期间要确定变量是放在堆空间和栈空间。

如果变量放错了位置会怎样

我们知道，栈空间和生命周期是和函数生命周期相关的，如果一个函数的局部变量离开了函数的范围，比如函数结束时，局部变量就会失效。所以要把这样的变量放到堆空间上。

既然如此，那把所有在变量都放在堆上不就行了，这样一来，是没啥问题了，但是堆内存的使用成本比占内存要高好多。使用堆内存，要向操作系统申请和归还，而占内存是程序运行时就确定好了，如何使用完全由程序自己确定。在栈上分配和回收内存成本很低，只需要 2 个 CPU 指令：PUSH 和 POP，push 将数据放到到栈空间完成分配，pop 则是释放空间。

比如 c++ 经典错误，return 一个函数内部变量的指针

#include<iOStream>

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

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

这段代码在编译的时候会如下警告:

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

虽然程序的运行结果大多数时候都和我们预期的一样，但是这样的代码还是有风险的。

这样的代码在go里就完全没有问题了，因为go的编译器会根据变量的作用范围确定变量是放在栈上和堆上。

内存逃逸场景

go的编译器提供了逃逸分析的工具，只需要在编译的时候加上 -gcflags=-m 就可以看到逃逸分析的结果了

常见的有4种场景下会出现内存逃逸

return 局部变量的指针

package main

func main() {

}

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

执行 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

可以看到变量 i 已经被分配到堆上了

interface{} 动态类型

当函数传递的变量类型是 interface{} 类型的时候，因为编译器无法推断运行时变量的实际类型，所以也会发生逃逸

package main

import "fmt"

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

执行 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 也被分配到栈上了

栈空间不足

因为栈的空间是有限的，所以在分配大块内存时，会考虑栈空间内否存下，如果栈空间存不下，会分配到堆上。

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
}

执行 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

可以看到当需要分配长度为10，100的int类型的slice时，不需要逃逸到堆上，在栈上就可以，如果slice长度达到1000时，就需要分配到堆上了。

还有一种情况，当在编译期间长度不确定时，也需要分配到堆上。

闭包

package main

func main() {
   One()
}

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

在函数One中return了一个匿名函数，形成了一个闭包，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

可以看到变量 n 也分配到堆上了

还有一种情况，new 出来的变量不一定分配到堆上

package main

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

像java C++等语言，new 出来的变量正常都会分配到堆上，但是在go里，new出来的变量不一定分配到堆上，至于分配到哪里，还是看编译器的逃逸分析来确定

编译一下看看 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出来的变量，并没有逃逸，还是在栈上。

常见的内存逃逸场景差不多就是这些了，再说一下内存逃逸带来的影响吧

性能

那肯定就是性能问题了，因为操作栈空间比堆空间要快多了，而且使用堆空间还会有GC问题，频繁的创建和释放堆空间，会增加GC的压力

一个简单的例子测试一下，一般来说，函数返回结构体的指针比直接返回结构体性能要好

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,
   }
}

注意被调用的函数一定要加上 //go:noinline 来禁止编译器内联优化

然后执行

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

可以明显看到函数 One返回结构体比函数Two 返回结构体指针的性能更好，而且还不会有内存分配，不会增加GC压力

抛开结构体的大小谈性能都是耍流氓，如果结构体比较复杂了还是指针性能更高，还有一些场景必须使用指针，所以实际工作中还是要分场景合理使用