GO语言内存逃逸和GC机制

文章目录

一、背景
二、内存逃逸
- [2.1 内存逃逸情况](#2.1 内存逃逸情况)
- [2.2 内存逃逸分析](#2.2 内存逃逸分析)
- [2.3 内存逃逸优化思路](#2.3 内存逃逸优化思路)
三、内存分配器
四、GC机制
- [4.1 垃圾回收(GC)时机](#4.1 垃圾回收(GC)时机)
- [4.2 标记阶段](#4.2 标记阶段)
- - 阶段1：标记准备(STW)
  - [阶段 2：并发标记](#阶段 2：并发标记)
  - [阶段 3：标记终止（STW）](#阶段 3：标记终止（STW）)
- [4.3 清除标记（并发）](#4.3 清除标记（并发）)
- [4.4 优化实践](#4.4 优化实践)
- [4.5 GC 调优参数](#4.5 GC 调优参数)
参考链接

一、背景

Go语言虽然语法上类似C语言，但是也是一种"高级语言"，有一套内存管理系统，不需要向C语言去动态malloc/free堆内存，而是语言编译时根据具体使用情况来决定使用栈还是使用堆，堆内存也不需要程序员手动free内存，后台有一套gc机制，根据内存对象的生命周期（引用关系）决定是否回收内存。Go语言默认使用栈内存，在一些特定的情况会内存逃逸使用堆内存，本文会重点介绍内存逃逸以及GC机制。

二、内存逃逸

2.1 内存逃逸情况

Go在如下情况会使用堆内存，然后由GC完成内存回收。

逃逸类型	产生原因	具体场景/示例
指针逃逸	函数返回了局部变量的指针，其生命周期需在函数外部延续	`func f() *int { x := 10; return &x }`
接口类型逃逸	将值赋值给 `interface{}`类型，编译期无法确定其动态类型	`fmt.Println(123)`或 `var i interface{} = "hello"`
闭包引用逃逸	闭包函数引用了外部变量，该变量的生命周期需与闭包一致	`func() func() int { n:=0; return func() int { n++; return n } }()`
栈空间不足逃逸	变量过大，超过当前栈帧的承载能力	`s := make([]int, 0, 100000)`
动态分配逃逸	切片或数组的长度在编译期无法确定	`s := make([]int, n)`（`n`为变量）
发送指针到 channel	指针被发送到 channel，其生命周期可能跨越 goroutine	`ch <- &myStruct{}`
在集合中存储指针	在 map 或 slice 等集合中存储指针，且集合本身发生逃逸	`m["key"] = &value`

2.2 内存逃逸分析

Go 编译器在编译阶段会进行逃逸分析，并提供了编译选项可以查看分析结果。

查看逃逸信息 ：在构建或运行 Go 代码时，使用 -gcflags='-m'选项即可。为了获得更详细的信息，通常还会加上 -l选项来禁止内联优化：
复制代码
```
go build -gcflags='-m -l' main.go
```
命令执行后，编译器会输出代码的逃逸分析信息，如果看到某行代码提示 escapes to heap或 moved to heap，就表明该处的变量发生了内存逃逸。

2.3 内存逃逸优化思路

内存逃逸最直接的影响是性能。堆分配比栈分配慢，因为涉及更复杂的内存管理。同时，堆上的对象需要垃圾回收器（GC）来管理，过多的逃逸会增加 GC 的压力，可能导致程序出现延迟。虽然无法也必要完全避免内存逃逸，但在编写高性能代码时，可以有所优化：

值传递替代指针传递：对于小结构体，有时直接返回值比返回指针更高效，可以避免逃逸。
预分配切片/映射 ：如果知道数据的大致规模，使用 make([]T, len, cap)预分配足够的容量，比让切片动态扩容更好。
谨慎使用 interface{}：在性能敏感的路径上，避免使用空接口，使用具体类型可以避免不必要的逃逸。

三、内存分配器

Go的堆内存分配器借鉴了TCMalloc的思想，采用多级缓存模式，这种设计通过本地缓存(mcache) 实现了绝大多数情况下无锁的快速分配，并通过尺寸规格(size class) 精细化管理，有效减少了内存碎片。

Go 将对象按大小分为三类：

微小对象（<16 字节）：使用微分配器（mcache.tiny）
小对象（16 字节-32KB）：使用固定大小的 span (mcache)
大对象（>32KB）：直接从堆分配

四、GC机制

GC机制可能会导致业务暂停，即Stop-The-World，那么Go语言是如何如何在保证内存安全的同时，最大限度地减少垃圾回收对程序性能的影响？Go使用并发三色标记清除算法 ，构建一个低延迟、并发执行、三色标记的垃圾回收器，将 STW 时间从早期版本的几百毫秒降低到亚毫秒级别。

4.1 垃圾回收(GC)时机

内存分配触发：当堆内存达到上次 GC 后的 2 倍时
定时触发：默认 2 分钟强制触发一次
手动触发 ：调用runtime.GC()

4.2 标记阶段

标记阶段会停止所有用户 goroutine，启动标记 worker进行扫描。首先会将所有对象视为白色，然后从根对象（如全局变量、Goroutine栈上的变量等）开始遍历，其标记过程可以概括为：

从根对象开始：从根对象开始，将它们直接引用的对象标记为灰色，放入待处理队列。
处理灰色对象：从队列中取出一个灰色对象，将其标记为黑色，然后检查这个黑色对象引用的其他对象。将被黑色对象引用且仍是白色的对象标记为灰色，加入队列。
循环处理：重复步骤2，直到灰色对象队列为空。此时，剩下的白色对象就是没有任何根对象引用的垃圾，可以在清除阶段被回收。

为了保证在标记过程中，因用户程序并发执行导致对象引用关系变化时不会错误地回收仍被引用的对象，Go使用了写屏障技术。详细步骤如下：

阶段1：标记准备(STW)

停止所有用户 goroutine
启动写屏障
扫描栈和全局变量，将根对象标记为灰色
启动标记 worker

阶段 2：并发标记

这是最耗时的阶段，但与用户程序并发执行：

标记 worker 并发处理灰色对象
用户程序继续执行，写屏障保证正确性
当没有更多灰色对象时，进入标记终止阶段

阶段 3：标记终止（STW）

这是第二个 STW 阶段，主要工作：

停止所有用户 goroutine 和标记 worker
完成最后的标记工作
关闭写屏障
计算下次 GC 的触发条件

4.3 清除标记（并发）

当标记阶段完成后，清除阶段会遍历堆内存，将标记为白色的不可达对象所占用的内存回收，以便后续分配使用。这个清除工作也是与用户程序并发执行的。

4.4 优化实践

减少不必要的堆分配
- 利用逃逸分析 ：使用 go build -gcflags="-m -l"命令可以查看变量的逃逸情况
- 预分配切片和Map ：在使用make初始化切片或map时，如果能够预估元素数量，就指定一个足够的容量（cap）。这可以避免在添加元素时因扩容而导致的多次内存分配和数据拷贝。
重用对象以降低GC压力
- 使用 sync.Pool ：对于需要频繁创建和销毁的临时对象（如缓冲区、解析用的临时结构体等），可以使用 sync.Pool来缓存这些对象。它可以显著减少垃圾回收器需要处理的对象数量，从而降低GC开销。但需要注意，sync.Pool中的对象可能被随时回收，不适合用于保存有状态的长效对象。
监控与诊断
- 使用 runtime.ReadMemStats：这个函数可以获取详细的内存统计信息，如堆内存分配大小、垃圾回收次数、暂停时间等，帮助你对程序的内存使用情况有宏观了解。
- 使用 pprof性能剖析 ：Go内置了强大的性能剖析工具。通过 net/http/pprof包可以轻松地通过HTTP服务暴露程序的性能数据，然后使用 go tool pprof命令进行分析，能够精准定位到分配内存最多的函数调用链，是诊断内存泄漏和优化热点的利器。

4.5 GC 调优参数

Go 提供了几个重要的 GC 调优参数，控制 GC 触发的频率，默认值为 100：

text 复制代码

# 设置GOGC为200，减少GC频率但增加内存使用
export GOGC=200

# 设置GOGC为50，增加GC频率但减少内存使用
export GOGC=50

# 禁用GC（仅用于测试）
export GOGC=off

参考链接

https://zhuanlan.zhihu.com/p/1926816205357974784