【Golang】关于Go语言中逃逸分析

一、堆内存与栈内存

• 堆（Heap）：一般来讲是人为手动进行管理，手动申请、分配、释放。堆适合不可预知大小的内存分配，这也意味着为此付出的代价是分配速度较慢，而且会形成内存碎片。

• 栈（Stack）：由编译器进行管理，自动申请、分配、释放。一般不会太大，因此栈的分配和回收速度非常快；我们常见的函数参数（不同平台允许存放的数量不同），局部变量等都会存放在栈上。

Go 程序会在 2 个地方为变量分配内存，一个是全局的堆(heap)空间用来动态分配内存，另一个是每个 goroutine 的栈(stack)空间。与 Java、Python 等语言类似，Go 语言实现垃圾回收(Garbage Collector)机制，因此呢，Go 语言的内存管理是自动的，通常开发者并不需要关心内存分配在栈上，还是堆上。但是从性能的角度出发，在栈上分配内存和在堆上分配内存，性能差异是非常大的。

在函数中申请一个对象，如果分配在栈中，函数执行结束时自动回收，如果分配在堆中，则在函数结束后某个时间点进行垃圾回收。在栈上分配和回收内存的开销很低，只需要 2 个 CPU 指令：PUSH 和 POP，一个是将数据 push 到栈空间以完成分配，pop 则是释放空间，也就是说在栈上分配内存，消耗的仅是将数据拷贝到内存的时间，而内存的 I/O 通常能够达到 30GB/s，因此在栈上分配内存效率是非常高的。

通俗比喻的说，栈就如我们去饭馆吃饭，只需要点菜（发出申请）--》吃吃吃（使用内存）--》吃饱就跑剩下的交给饭馆（操作系统自动回收），而堆就如在家里做饭，大到家，小到买什么菜，每一个环节都需要自己来实现，但是自由度会大很多。

在堆上分配内存，一个很大的额外开销则是垃圾回收。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。

标记清除收集器是跟踪式垃圾收集器，其执行过程可以分成标记（Mark）和清除（Sweep）两个阶段：

• 标记阶段 — 从根对象出发查找并标记堆中所有存活的对象；
• 清除阶段 — 遍历堆中的全部对象，回收未被标记的垃圾对象并将回收的内存加入空闲链表。

标记清除算法的一个典型耗时是在标记期间，需要暂停程序（Stop the world，STW），标记结束之后，用户程序才可以继续执行。

Go 语言垃圾回收的原理就不在这里赘述了，总之，堆内存分配导致垃圾回收的开销远远大于栈空间分配与释放的开销。

二、逃逸分析

2.1、什么是逃逸分析

在 C 语言中，可以使用 malloc 和 free 手动在堆上分配和回收内存。

Go 语言中，堆内存是通过垃圾回收机制自动管理的，无需开发者指定。那么，Go 编译器怎么知道某个变量需要分配在栈上，还是堆上呢？编译器决定内存分配位置的方式，就称之为逃逸分析(escape analysis)。逃逸分析由编译器完成，作用于编译阶段。在编译程序优化理论中，逃逸分析是一种确定指针动态范围的方法，简单来说就是分析在程序的哪些地方可以访问到该指针。

再往简单的说，Go是通过在编译器里做逃逸分析（escape analysis）来决定一个对象放栈上还是放堆上，不逃逸的对象放栈上，可能逃逸的放堆上；即我发现变量在退出函数后没有用了，那么就把丢到栈上，毕竟栈上的内存分配和回收比堆上快很多；反之，函数内的普通变量经过逃逸分析后，发现在函数退出后变量还有在其他地方上引用，那就将变量分配在堆上。做到按需分配（哪里的人民需要我，我就往哪去~~，一个党员的呐喊）。

2.2、指针逃逸

指针逃逸应该是最容易理解的一种情况了，即在函数中创建了一个对象，返回了这个对象的指针。这种情况下，函数虽然退出了，但是因为指针的存在，对象的内存不能随着函数结束而回收，因此只能分配在堆上。

// main_pointer.go
package main

import "fmt"

type Demo struct {
	name string
}

func createDemo(name string) *Demo {
	d := new(Demo) // 局部变量 d 逃逸到堆
	d.name = name
	return d
}

func main() {
	demo := createDemo("demo")
	fmt.Println(demo)
}

这个例子中，函数 createDemo 的局部变量 d 发生了逃逸。d 作为返回值，在 main 函数中继续使用，因此 d 指向的内存不能够分配在栈上，随着函数结束而回收，只能分配在堆上。

编译时可以借助选项 -gcflags=-m，查看变量逃逸的情况：

$ go build -gcflags=-m main_pointer.go 
./main_pointer.go:10:6: can inline createDemo
./main_pointer.go:17:20: inlining call to createDemo
./main_pointer.go:18:13: inlining call to fmt.Println
./main_pointer.go:10:17: leaking param: name
./main_pointer.go:11:10: new(Demo) escapes to heap
./main_pointer.go:17:20: new(Demo) escapes to heap
./main_pointer.go:18:13: demo escapes to heap
./main_pointer.go:18:13: main []interface {} literal does not escape
./main_pointer.go:18:13: io.Writer(os.Stdout) escapes to heap
<autogenerated>:1: (*File).close .this does not escape

new(Demo) escapes to heap 即表示 new(Demo) 逃逸到堆上了。

2.3、interface{} 动态类型逃逸

在 Go 语言中，空接口即 interface{} 可以表示任意的类型，如果函数参数为 interface{}，编译期间很难确定其参数的具体类型，也会发生逃逸。

例如上面例子中的局部变量 demo：

func main() {
	demo := createDemo("demo")
	fmt.Println(demo)
}

demo 是 main 函数中的一个局部变量，该变量作为实参传递给 fmt.Println()，但是因为 fmt.Println() 的参数类型定义为 interface{}，因此也发生了逃逸。

fmt 包中的 Println 函数的定义如下：

func Println(a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprintln(os.Stdout, a...)
}

如果我们将上面的例子修改为：

func test(demo *Demo) {
	fmt.Println(demo.name)
}

func main() {
	demo := createDemo("demo")
	test(demo)
}

这种情况下，局部变量 demo 不会发生逃逸，但是 demo.name 仍旧会逃逸。

2.4、栈空间不足

操作系统对内核线程使用的栈空间是有大小限制的，64 位系统上通常是 8 MB。可以使用 ulimit -a 命令查看机器上栈允许占用的内存的大小。

$ ulimit -a
-s: stack size (kbytes)             8192
-n: file descriptors                12800
...

因为栈空间通常比较小，因此递归函数实现不当时，容易导致栈溢出。

对于 Go 语言来说，运行时(runtime) 尝试在 goroutine 需要的时候动态地分配栈空间，goroutine 的初始栈大小为 2 KB。当 goroutine 被调度时，会绑定内核线程执行，栈空间大小也不会超过操作系统的限制。

对 Go 编译器而言，超过一定大小的局部变量将逃逸到堆上，不同的 Go 版本的大小限制可能不一样。我们来做一个实验：

func generate8191() {
	nums := make([]int, 8191) // < 64KB
	for i := 0; i < 8191; i++ {
		nums[i] = rand.Int()
	}
}

func generate8192() {
	nums := make([]int, 8192) // = 64KB
	for i := 0; i < 8192; i++ {
		nums[i] = rand.Int()
	}
}

func generate(n int) {
	nums := make([]int, n) // 不确定大小
	for i := 0; i < n; i++ {
		nums[i] = rand.Int()
	}
}

func main() {
	generate8191()
    generate8192()
    generate(1)
}

• generate8191() 创建了大小为 8191 的 int 型切片，恰好小于 64 KB(64位机器上，int 占 8 字节)，不包含切片内部字段占用的内存大小。
• generate8192() 创建了大小为 8192 的 int 型切片，恰好占用 64 KB。
• generate(n)，切片大小不确定，调用时传入。

编译结果如下：

$ go build -gcflags=-m main_stack.go
# command-line-arguments
./main_stack.go:9:14: generate8191 make([]int, 8191) does not escape
./main_stack.go:16:14: make([]int, 8192) escapes to heap
./main_stack.go:23:14: make([]int, n) escapes to heap

make([]int, 8191) 没有发生逃逸，make([]int, 8192) 和make([]int, n) 逃逸到堆上，也就是说，当切片占用内存超过一定大小，或无法确定当前切片长度时，对象占用内存将在堆上分配。

2.5、闭包

一个函数和对其周围状态（lexical environment，词法环境）的引用捆绑在一起（或者说函数被引用包围），这样的组合就是闭包（closure）。也就是说，闭包让你可以在一个内层函数中访问到其外层函数的作用域。

例如：

func Increase() func() int {
	n := 0
	return func() int {
		n++
		return n
	}
}

func main() {
	in := Increase()
	fmt.Println(in()) // 1
	fmt.Println(in()) // 2
}　　

Increase() 返回值是一个闭包函数，该闭包函数访问了外部变量 n，那变量 n 将会一直存在，直到 in 被销毁。很显然，变量 n 占用的内存不能随着函数 Increase() 的退出而回收，因此将会逃逸到堆上。

$ go build -gcflags=-m main_closure.go 
# command-line-arguments
./main_closure.go:6:2: moved to heap: n　

三、为何需要逃逸分析

了解完堆和栈各自的优缺点后，我们就可以更好的知道逃逸分析存在的目的了：

• 减少gc压力，栈上的变量，随着函数退出后系统直接回收，不需要gc标记后再清除。

• 减少内存碎片的产生。

• 减轻分配堆内存的开销，提高程序的运行速度。

四、如何确定是否逃逸

在Go中通过逃逸分析日志来确定变量是否逃逸，开启逃逸分析日志：

go run -gcflags '-m -l' main.go

• -m 会打印出逃逸分析的优化策略，实际上最多总共可以用 4 个 -m，但是信息量较大，一般用 1 个就可以了。
• -l 会禁用函数内联，在这里禁用掉内联能更好的观察逃逸情况，减少干扰。

五、如何利用逃逸分析提升性能

传值 VS 传指针

传值会拷贝整个对象，而传指针只会拷贝指针地址，指向的对象是同一个。传指针可以减少值的拷贝，但是会导致内存分配逃逸到堆中，增加垃圾回收(GC)的负担。在对象频繁创建和删除的场景下，传递指针导致的 GC 开销可能会严重影响性能。

一般情况下，对于需要修改原对象值，或占用内存比较大的结构体，选择传指针。对于只读的占用内存较小的结构体，直接传值能够获得更好的性能。

不要盲目使用变量的指针作为函数参数，虽然它会减少复制操作。但其实当参数为变量自身的时候，复制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。