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 4 years ago
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Go 逃逸分析

要理解什么是逃逸分析会涉及堆和栈的一些基本知识,如果忘记的同学我们可以简单的回顾一下:

  • 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。

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。

通俗比喻的说,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。

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。

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)。

为何需要逃逸分析

ok,了解完各自的优缺点后,我们就可以更好的知道逃逸分析存在的目的了:

  1. 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。
  2. 减少内存碎片的产生。
  3. 减轻分配堆内存的开销,提高程序的运行速度。

如何确定是否逃逸

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。

案例一:取地址发生逃逸

package main

type UserData struct {
	Name  string
}

func main() {
	var info UserData
	info.Name = "WilburXu"
	_ = GetUserInfo(info)
}

func GetUserInfo(userInfo UserData) *UserData {
	return &userInfo
}

执行 go run -gcflags '-m -l' main.go 后返回以下结果:

# command-line-arguments
.\main.go:14:9: &userInfo escapes to heap
.\main.go:13:18: moved to heap: userInfo

GetUserInfo函数里面的变量 userInfo 逃到堆上了(分配到堆内存空间上了)。

GetUserInfo 函数的返回值为 *UserData 指针类型,然后 将值变量userInfo 的地址返回,此时编译器会判断该值可能会在函数外使用,就将其分配到了堆上,所以变量userInfo就逃逸了。

func main() {
	var info UserData
	info.Name = "WilburXu"
	_ = GetUserInfo(&info)
}

func GetUserInfo(userInfo *UserData) *UserData {
	return userInfo
}
# command-line-arguments
.\main.go:13:18: leaking param: userInfo to result ~r1 level=0
.\main.go:10:18: main &info does not escape

对一个变量取地址,可能会被分配到堆上。但是编译器进行逃逸分析后,如果发现到在函数返回后,此变量不会被引用,那么还是会被分配到栈上。套个取址符,就想骗补助?

编译器傲娇的说:Too young,Too Cool...!

案例二 :未确定类型

package main

type User struct {
	name interface{}
}

func main() {
	name := "WilburXu"
	MyPrintln(name)
}

func MyPrintln(one interface{}) (n int, err error) {
	var userInfo = new(User)
	userInfo.name = one // 泛型赋值 逃逸咯
	return
}

执行 go run -gcflags '-m -l' main.go 后返回以下结果:

# command-line-arguments
./main.go:12:16: leaking param: one
./main.go:13:20: MyPrintln new(User) does not escape
./main.go:9:11: name escapes to heap

这里可能有同学会好奇,MyPrintln函数内并没有被引用的便利,为什么变了name会被分配到了上呢?

上一个案例我们知道了,普通的手法想去"骗取补助",聪明灵利的编译器是不会“上当受骗的噢”;但是对于interface类型,很遗憾,go 编译器或者链接器不可能在编译的时候计算两者的对应关系,因此只能分配到上。

将结构体User的成员name的类型、函数MyPringLn参数one的类型改为 string,将得出:

# command-line-arguments
./main.go:12:16: leaking param: one
./main.go:13:20: MyPrintln new(User) does not escape

对于案例二的分析,我们还可以通过反编译命令go tool compile -S main.go查看,会发现如果为interface类型,main主函数在编译后会额外多出以下指令:

# main.go:9 -> MyPrintln(name)
	0x001d 00029 (main.go:9)	PCDATA	$2, $1
	0x001d 00029 (main.go:9)	PCDATA	$0, $1
	0x001d 00029 (main.go:9)	LEAQ	go.string."WilburXu"(SB), AX
	0x0024 00036 (main.go:9)	PCDATA	$2, $0
	0x0024 00036 (main.go:9)	MOVQ	AX, ""..autotmp_5+32(SP)
	0x0029 00041 (main.go:9)	MOVQ	$8, ""..autotmp_5+40(SP)
	0x0032 00050 (main.go:9)	PCDATA	$2, $1
	0x0032 00050 (main.go:9)	LEAQ	type.string(SB), AX
	0x0039 00057 (main.go:9)	PCDATA	$2, $0
	0x0039 00057 (main.go:9)	MOVQ	AX, (SP)
	0x003d 00061 (main.go:9)	PCDATA	$2, $1
	0x003d 00061 (main.go:9)	LEAQ	""..autotmp_5+32(SP), AX
	0x0042 00066 (main.go:9)	PCDATA	$2, $0
	0x0042 00066 (main.go:9)	MOVQ	AX, 8(SP)
	0x0047 00071 (main.go:9)	CALL	runtime.convT2Estring(SB)

对于Go汇编语法不熟悉的可以参考 Golang汇编快速指南

案例三:间接赋值(Assignment to indirection escapes)

对某个引用类对象中的引用类成员进行赋值。Go 语言中的引用类数据类型有 func, interface, slice, map, chan, *Type(指针)

package main

type User struct {
	name interface{}
	age *int
}

func main() {
	var (
		userOne User
		userTwo = new(User)
	)
	userOne.name = "WilburXuOne"	// 不逃逸
	userTwo.name = "WilburXuTwo"	// 逃逸

	userOne.age = new(int)	// 不逃逸
	userTwo.age = new(int)	// 逃逸
}

执行 go run -gcflags '-m -l' main.go 后返回以下结果:

# command-line-arguments
.\main.go:14:17: "WilburXuTwo" escapes to heap
.\main.go:17:19: new(int) escapes to heap
.\main.go:11:16: main new(User) does not escape
.\main.go:13:17: main "WilburXuOne" does not escape
.\main.go:16:19: main new(int) does not escape

为什么这里类型不会逃逸而引用类型会逃逸呢?这是因为在 userTwo = new(User) 对象的创建时,编译器先是分析userTwo 对象可能分配在上,同时成员变量 nameage 也为引用类型,为了保证不出现回收后,导致对象userTwo的成员值也被回收,所以nameage需要逃逸。

但是,如果nameage为值类型,那么编译器虽然初步分析userTwo会分配在上,但由于main主函数结束后,变量都会被回收,也就是说对象没有被其他引用,那么就都会分配在上,所以nameage没有发生逃逸。

尽量不要将引用对象赋值给引用对象

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。

Go的编译器就如一个聪明的孩子一般,大多时候在逃逸分析问题上的处理都令人眼前一亮,但有时闹性子的时候处理也是非常粗糙的分析或完全放弃,毕竟这是孩子天性不是吗? 所以也需要我们在编写代码的时候多多观察,多多留意了。

http://www.agardner.me/golang/garbage/collection/gc/escape/analysis/2015/10/18/go-escape-analysis.html

https://segmentfault.com/a/1190000019234268

https://docs.google.com/document/d/1CxgUBPlx9iJzkz9JWkb6tIpTe5q32QDmz8l0BouG0Cw/preview#heading=h.3i6ywlgy4wrw

http://npat-efault.github.io/programming/2016/10/10/escape-analysis-and-interfaces.html


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