我要在栈上。不,你应该在堆上

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我要在栈上。不,你应该在堆上

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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

type User struct {
	ID     int64
	Name   string
	Avatar string
}

func GetUserInfo() *User {
	return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
}

func main() {
	_ = GetUserInfo()
}

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

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

第二,通过反编译命令查看

$ 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:

type User struct {
	ID     int64
	Name   string
	Avatar string
}

func GetUserInfo() *User {
	return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
}

func main() {
	_ = GetUserInfo()
}

执行命令观察一下,如下:

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./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:

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

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:

func main() {
	str := new(string)
	*str = "EDDYCJY"
}

你想想这个对象会分配到哪里?如下:

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./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

func main() {
	str := new(string)
	*str = "EDDYCJY"

	fmt.Println(str)
}

执行命令观察一下,如下:

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:13: str escapes to heap
./main.go:6:12: new(string) escapes to heap
./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:

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

type User struct {
	ID     int64
	Name   string
	Avatar string
}

func GetUserInfo(u *User) *User {
	return u
}

func main() {
	_ = GetUserInfo(&User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
}

执行命令观察一下,如下:

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:18: leaking param: u to result ~r1 level=0
./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:

type User struct {
	ID     int64
	Name   string
	Avatar string
}

func GetUserInfo(u User) *User {
	return &u
}

func main() {
	_ = GetUserInfo(User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
}

执行命令观察一下,如下:

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:9: &u escapes to heap
./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...

参考

本文来自:GITHUB

感谢作者:EDDYCJY

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