我要在栈上。不，你应该在堆上

我们在写代码的时候，有时候会想这个变量到底分配到哪里了？这时候可能会有人说，在栈上，在堆上。信我准没错…

但从结果上来讲你还是一知半解，这可不行，万一被人懵了呢。今天我们一起来深挖下 Go 在这块的奥妙，自己动手丰衣足食

问题

  1. type User struct {
  2. ID int64
  3. Name string
  4. Avatar string
  5. }
  7. func GetUserInfo() *User {
  8. return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
  9. }
  11. func main() {
  12. _ = GetUserInfo()
  13. }

开局就是一把问号，带着问题进行学习。请问 main 调用 GetUserInfo 后返回的 &User{...}。这个变量是分配到栈上了呢，还是分配到堆上了？

什么是堆/栈

在这里并不打算详细介绍堆栈，仅简单介绍本文所需的基础知识。如下：

  • 堆（Heap）：一般来讲是人为手动进行管理，手动申请、分配、释放。一般所涉及的内存大小并不定，一般会存放较大的对象。另外其分配相对慢，涉及到的指令动作也相对多
  • 栈（Stack）：由编译器进行管理，自动申请、分配、释放。一般不会太大，我们常见的函数参数（不同平台允许存放的数量不同），局部变量等等都会存放在栈上

今天我们介绍的 Go 语言，它的堆栈分配是通过 Compiler 进行分析，GC 去管理的，而对其的分析选择动作就是今天探讨的重点

什么是逃逸分析

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

通俗地讲，逃逸分析就是确定一个变量要放堆上还是栈上，规则如下：

  1. 是否有在其他地方（非局部）被引用。只要有可能被引用了，那么它一定分配到堆上。否则分配到栈上
  2. 即使没有被外部引用，但对象过大，无法存放在栈区上。依然有可能分配到堆上

对此你可以理解为，逃逸分析是编译器用于决定变量分配到堆上还是栈上的一种行为

在什么阶段确立逃逸

在编译阶段确立逃逸，注意并不是在运行时

为什么需要逃逸

这个问题我们可以反过来想，如果变量都分配到堆上了会出现什么事情？例如：

  • 垃圾回收（GC）的压力不断增大
  • 申请、分配、回收内存的系统开销增大（相对于栈）
  • 动态分配产生一定量的内存碎片

其实总的来说，就是频繁申请、分配堆内存是有一定 “代价” 的。会影响应用程序运行的效率，间接影响到整体系统。因此 “按需分配” 最大限度的灵活利用资源，才是正确的治理之道。这就是为什么需要逃逸分析的原因，你觉得呢？

怎么确定是否逃逸

第一，通过编译器命令，就可以看到详细的逃逸分析过程。而指令集 -gcflags 用于将标识参数传递给 Go 编译器，涉及如下：

  • -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 inline 能更好的观察逃逸情况，减少干扰

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go

第二，通过反编译命令查看

  1. $ go tool compile -S main.go

注：可以通过 go tool compile -help 查看所有允许传递给编译器的标识参数

逃逸案例

案例一：指针

第一个案例是一开始抛出的问题，现在你再看看，想想，如下：

  1. type User struct {
  2. ID int64
  3. Name string
  4. Avatar string
  5. }
  7. func GetUserInfo() *User {
  8. return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
  9. }
  11. func main() {
  12. _ = GetUserInfo()
  13. }

执行命令观察一下，如下：

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go
  2. # command-line-arguments
  3. ./main.go:10:54: &User literal escapes to heap

通过查看分析结果，可得知 &User 逃到了堆里，也就是分配到堆上了。这是不是有问题啊…再看看汇编代码确定一下，如下：

  1. $ go tool compile -S main.go
  2. "".GetUserInfo STEXT size=190 args=0x8 locals=0x18
  3. 0x0000 00000 (main.go:9) TEXT "".GetUserInfo(SB), $24-8
  4. ...
  5. 0x0028 00040 (main.go:10) MOVQ AX, (SP)
  6. 0x002c 00044 (main.go:10) CALL runtime.newobject(SB)
  7. 0x0031 00049 (main.go:10) PCDATA $2, $1
  8. 0x0031 00049 (main.go:10) MOVQ 8(SP), AX
  9. 0x0036 00054 (main.go:10) MOVQ $13746731, (AX)
  10. 0x003d 00061 (main.go:10) MOVQ $7, 16(AX)
  11. 0x0045 00069 (main.go:10) PCDATA $2, $-2
  12. 0x0045 00069 (main.go:10) PCDATA $0, $-2
  13. 0x0045 00069 (main.go:10) CMPL runtime.writeBarrier(SB), $0
  14. 0x004c 00076 (main.go:10) JNE 156
  15. 0x004e 00078 (main.go:10) LEAQ go.string."EDDYCJY"(SB), CX
  16. ...

我们将目光集中到 CALL 指令，发现其执行了 runtime.newobject 方法，也就是确实是分配到了堆上。这是为什么呢？

分析结果

这是因为 GetUserInfo() 返回的是指针对象，引用被返回到了方法之外了。因此编译器会把该对象分配到堆上，而不是栈上。否则方法结束之后，局部变量就被回收了，岂不是翻车。所以最终分配到堆上是理所当然的

再想想

那你可能会想，那就是所有指针对象，都应该在堆上？并不。如下：

  1. func main() {
  2. str := new(string)
  3. *str = "EDDYCJY"
  4. }

你想想这个对象会分配到哪里？如下：

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go
  2. # command-line-arguments
  3. ./main.go:4:12: main new(string) does not escape

显然，该对象分配到栈上了。很核心的一点就是它有没有被作用域之外所引用，而这里作用域仍然保留在 main 中，因此它没有发生逃逸

案例二：未确定类型

  1. func main() {
  2. str := new(string)
  3. *str = "EDDYCJY"
  5. fmt.Println(str)
  6. }

执行命令观察一下，如下：

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go
  2. # command-line-arguments
  3. ./main.go:9:13: str escapes to heap
  4. ./main.go:6:12: new(string) escapes to heap
  5. ./main.go:9:13: main ... argument does not escape

通过查看分析结果，可得知 str 变量逃到了堆上，也就是该对象在堆上分配。但上个案例时它还在栈上，我们也就 fmt 输出了它而已。这…到底发生了什么事？

分析结果

相对案例一，案例二只加了一行代码 fmt.Println(str)，问题肯定出在它身上。其原型：

  1. func Println(a ...interface{}) (n int, err error)

通过对其分析，可得知当形参为 interface 类型时，在编译阶段编译器无法确定其具体的类型。因此会产生逃逸，最终分配到堆上

如果你有兴趣追源码的话，可以看下内部的 reflect.TypeOf(arg).Kind() 语句，其会造成堆逃逸，而表象就是 interface 类型会导致该对象分配到堆上

案例三、泄露参数

  1. type User struct {
  2. ID int64
  3. Name string
  4. Avatar string
  5. }
  7. func GetUserInfo(u *User) *User {
  8. return u
  9. }
  11. func main() {
  12. _ = GetUserInfo(&User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
  13. }

执行命令观察一下，如下：

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go
  2. # command-line-arguments
  3. ./main.go:9:18: leaking param: u to result ~r1 level=0
  4. ./main.go:14:63: main &User literal does not escape

我们注意到 leaking param 的表述，它说明了变量 u 是一个泄露参数。结合代码可得知其传给 GetUserInfo 方法后，没有做任何引用之类的涉及变量的动作，直接就把这个变量返回出去了。因此这个变量实际上并没有逃逸，它的作用域还在 main() 之中，所以分配在栈上

再想想

那你再想想怎么样才能让它分配到堆上？结合案例一，举一反三。修改如下：

  1. type User struct {
  2. ID int64
  3. Name string
  4. Avatar string
  5. }
  7. func GetUserInfo(u User) *User {
  8. return &u
  9. }
  11. func main() {
  12. _ = GetUserInfo(User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
  13. }

执行命令观察一下，如下：

  1. $ go build -gcflags '-m -l' main.go
  2. # command-line-arguments
  3. ./main.go:10:9: &u escapes to heap
  4. ./main.go:9:18: moved to heap: u

只要一小改，它就考虑会被外部所引用，因此妥妥的分配到堆上了

总结

在本文我给你介绍了逃逸分析的概念和规则，并列举了一些例子加深理解。但实际肯定远远不止这些案例，你需要做到的是掌握方法，遇到再看就好了。除此之外你还需要注意：

  • 静态分配到栈上，性能一定比动态分配到堆上好
  • 底层分配到堆，还是栈。实际上对你来说是透明的，不需要过度关心
  • 每个 Go 版本的逃逸分析都会有所不同（会改变，会优化）
  • 直接通过 go build -gcflags '-m -l' 就可以看到逃逸分析的过程和结果
  • 到处都用指针传递并不一定是最好的，要用对

之前就有想过要不要写 “逃逸分析” 相关的文章，直到最近看到在夜读里有人问，还是有写的必要。对于这块的知识点。我的建议是适当了解，但没必要硬记。靠基础知识点加命令调试观察就好了。像是曹大之前讲的 “你琢磨半天逃逸分析，一压测，瓶颈在锁上”，完全没必要过度在意…

转载 https://www.bookstack.cn/read/eddycjy-go/talk-stack-heap.md

posted @ 2021-03-25 15:42  hubb  阅读(30)  评论(0)  编辑  收藏  举报