Go 內存管理概述

隨着程序的運行，對象被寫入內存。在一些特定時刻當它們不再被需要時，它們應該被移除。這個過程被稱爲 內存管理 。本文旨在給出內存管理的概述，然後深入研究在 Go 中如何使用垃圾收集器實現內存管理。Go 的內存管理近些年已經發生了很大變化，未來很可能還會發生更多變化。如果您正在閱讀這篇文章，並且您使用的是比 1.16 更高的 Go 版本，那麼這裏的一些信息可能已經過時了。

手動內存管理

在像 C 這樣的編程語言中，程序員會調用 malloc 或 calloc 之類的函數來將對象寫入內存。這些函數返回一個指針，指向該對象在堆內存中的位置。當這個對象不再被需要時，程序員調用 free 函數來再釋放以便再次使用這塊內存。這種內存管理的方法被稱爲 顯式釋放 。它非常的強大，使程序員能夠更好地控制正在使用的內存，從而允許某些類型優化變得更加容易，特別是在小內存環境下。但是，它也會導致兩種類型的編程錯誤。

第一種是提前調用 free ，這會創建一個 懸空指針 。懸空指針是指不再指向內存中有效對象的指針。那麼這會非常糟糕，因爲程序期望一個指針指向的是已定義的值，而當這個懸空指針稍後被訪問時，並不能保證在內存中該位置存在什麼值。可能什麼都沒有，或者完全是其他值。第二種錯誤，內存根本無法釋放。如果程序員忘記釋放一個對象，他們可能會面臨 內存泄漏 風險，因爲內存會被越來越多的對象填滿。如果內存不足，這可能導致程序變慢或崩潰。所以當不得不顯式地管理內存時，可能會在程序中引入不可預測的錯誤。

自動內存管理

這是像 Go 這樣的語言提供了 自動的動態內存管理 ，或者更簡單地說，垃圾收集 的原因。具有垃圾收集功能的語言提供瞭如下好處:

確實垃圾收集會帶來性能開銷，但並不像通常認爲的那樣多。所以折衷的方案是，程序員專注於他們程序的業務邏輯，並確保它符合目標，而不用擔心管理內存。

一個正在運行的程序將對象存儲在內存中的兩個位置， 堆 和 棧 。垃圾收集作用於堆上，而不是棧。棧是一個存儲函數值的後進先出數據結構。從函數內部調用另一個函數，會將一個新的 棧幀 放到棧上，它包含被調用函數的值等。當函數調用返回時，它的棧楨將會從棧上彈出。當在調試一個崩潰的程序時，您可能會熟悉棧這一結構。大多數語言的編譯器會返回一個調用棧來幫助跟蹤調試，它會顯示在這一點之前被調用的函數。

棧可以以一種後進先出的方式將值 “推” 到頂部，或者從頂部 “彈出” 。圖片來源 Wikipedia.

與棧相反，堆中包含的是在函數外部被引用的值。例如，在程序開始時定義的靜態常量，或更復雜的對象，如 Go 結構體。當程序員定義一個放置在堆上的對象時，將分配所需的內存大小，並返回指向該對象的指針。堆是一種圖結構，對象代表着節點，這些節點被代碼或者其他對象所引用。隨着程序的運行，堆將隨着對象的添加而繼續增長，除非對堆做清理。

堆從根節點開始，隨着更多的對象被添加而增長。

Go 中的垃圾收集

Go 更喜歡在棧上分配內存，所以大部分內存分配都會在這裏結束。這也意味着 Go 中每個 goroutine 都有一個棧，如果可能的話，Go 將分配變量在這個棧上。Go 編譯器通過執行 逃逸分析 來檢查一個對象是否 ” 逃逸” 出函數內部，從而嘗試證明一個變量在函數之外不被需要。如果編譯器可以確定一個變量的 生命週期，它將被分配在棧上。但是，如果變量的生存期不確定，它將會被分配到堆上。通常，如果一個 Go 程序有一個指向對象的指針，那麼該對象就被存儲在堆上。看看下面的示例代碼：

type myStruct struct {
  value int
}
var testStruct = myStruct{value: 0}
func addTwoNumbers(a int, b int) int {
  return a + b
}
func myFunction() {
  testVar1 := 123
  testVar2 := 456
  testStruct.value = addTwoNumbers(testVar1, testVar2)
}
func someOtherFunction() {
  // some other code
  myFunction()
  // some more code
}

出於本例的目的，讓我們假設這是一個正在運行的程序的一部分，因爲如果這是整個程序，那麼 Go 編譯器會通過將變量分配到棧來優化它。當程序運行時：

  1. testStruct 是被定義和放置在堆中的一個可用內存塊

  2. myFunction 函數被調用執行時將會分配一個棧。testVar1 和 testVar2 都被存儲在這個棧上。

  3. 調用 addTwoNumbers 時，一個新的棧幀被推到棧上，並帶有函數的兩個參數。

  4. 當 addTwoNumbers 完成執行，它的結果返回給 myFunction 並且 addTwoNumbers 的棧幀從棧中彈出，因爲它不再被需要。

  5. 指向 testStruct 的指針被跟隨到它堆上的位置，並且 value 字段被更新。

  6. myFunction 退出，並清除爲它創建的棧。testStruct 的值繼續保持在堆上，直到垃圾收集發生。

testStruct 現在在堆上，也沒有使用，Go 運行時也不知道是否仍然需要它。爲此，Go 依賴於一個垃圾收集器。垃圾收集器有兩個關鍵部分，一個 更改器 和一個 收集器。收集器執行垃圾收集邏輯並找到應該釋放其內存的對象。更改器執行應用程序代碼並將新對象分配給堆。它還在程序運行時更新堆上的現有對象，包括使不再需要的某些對象變爲不可達。

由於更改器所做的更改，底部的對象已變爲不可訪問。它應該由垃圾收集器清理。

Go 垃圾收集器的實現

Go 的垃圾收集器是一個 非分代，併發，三色標記清除的垃圾收集器。讓我們把這幾項分解。

分代假設 是壽命短的對象（如臨時變量）最常被回收。因此，分代垃圾收集器主要關注最近分配的對象。然而如前所述，編譯器優化允許 Go 編譯器將具有已知生命週期的對象分配在棧上。這意味着堆上的對象更少，因此垃圾收集的對象更少。這也意味着在 Go 中不需要分代垃圾收集器。因此，Go 使用了一個非分代的垃圾收集器。併發意味着收集器與更改器線程同時運行。因此，Go 使用的是一個非分代、併發的垃圾收集器。標記清除是垃圾收集器的工作類型，三色是用於實現這一功能的算法。

一個標記清除垃圾收集器有兩個階段，不出所料地命名爲 標記 和 清除 。在標記階段，收集器遍歷堆並標記不再需要的對象。後續掃描階段將刪除這些對象。標記和清除是一種間接算法，因爲它標記活動對象，並移除其他所有東西。

原圖地址：https://github.com/gocn/translator/raw/master/static/images/w21_An_overview_of_memory_management_in_Go/figure4.gif

可視化的標記清除收集器過程，來源於這裏。如果你感興趣的話，還可以看到其他類型的垃圾收集器。

Go 用幾個步驟實現了這一點：

Go 讓所有的 goroutines 到達一個垃圾收集安全點，並使用一個名爲 stop the world 的過程。這將暫時停止程序的運行，並打開一個 寫屏障 以維護堆上的數據完整性。通過允許 goroutine 和收集器同時運行，從而實現了併發性。

一旦所有的 goroutine 都打開了寫障礙，Go 運行 starts the world 並讓工作線程開始執行垃圾收集工作。

標記是通過使用一個 三色算法 實現的。當標記開始時，除了根對象是灰色的，所有對象都是白色的。根是所有其他堆對象的來源，並作爲運行程序的一部分實例化。垃圾收集器首先掃描棧、全局變量和堆指針，以瞭解什麼對象正在使用。當掃描一個棧時，工作線程將停止 goroutine ，並通過從根向下遍歷將所有發現的對象標記爲灰色。然後繼續執行 goroutine 。

然後，灰色的對象將入隊變成黑色，這表明它們仍在使用中。一旦所有的灰色對象被標爲黑色，收集器將會再一次 stop the world 並且清理所有不再被需要的白色節點對象。程序現在可以繼續運行，直到它需要再次清理更多內存。

這張來自維基百科的圖表讓上述更容易理解。顏色有點混亂，但白色物體是淺灰色，灰色物體是黃色，黑色物體是藍色。

一旦程序按照使用的內存比例分配了額外的內存，這個進程將再次啓動。GOGC 環境變量決定了這一比例，默認值爲 100 。Go 的源代碼描述如下:

如果 GOGC=100 並且我們正在使用 4M 內存，我們將在到達 8M 時再次進行 GC（這個標記在 next_gc 變量中被跟蹤)。這使 GC 成本與分配成本成線性比例。調整 GOGC 只是改變線性常數（還有額外內存的使用量）。

Go 的垃圾收集器通過將內存管理抽象到 Go 運行時來提高效率，這也是使 Go 具有如此優秀性能的原因之一。Go 內置的工具允許您優化程序中垃圾收集的觸發行爲，如果您感興趣，可以對此進行研究。至此，我希望您瞭解到了更多關於垃圾收集的工作原理和在 Go 中如何實現垃圾收集的知識。

參考

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/PNRhtdS_gZVTtrkkRmx7yA

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