性能优化与软件质量 ｜ 青训营笔记

这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 4 天

• 软件质量至关重要
• 在保证接口稳定的前提下改进具体实现
• 测试用例：覆盖尽可能多的场景，方便回归
• 文档：做了什么，没做什么，能达到怎样的效果
• 隔离：通过选项控制是否开启优化
• 可观测：必要的日志输出

自动内存管理

• 动态内存

  • 程序在运行时根据需求动态分配的内存：malloc()

• 自动内存管理（垃圾回收）：有程序语言的运行时系统管理动态内存

  • 避免手动内存管理，专注于实现业务逻辑
  • 保证内存使用的正确性和安全性：double-free problem,use-after-free problem

相关概念

• Mutator：业务线程，分配新对象，修改对象指向关系
• Collector:GC 线程，找到存活对象，回收死亡对象的内存空间

• Serial GC:只有一个 collector

• Parallel GC: 支持多个 collectors 同时回收的 GC 算法

• Concurrent GC: mutator(s) 和collector(s) 可以同时执行

  • collectors必须感知对象指向关系的改变

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• 评价gc算法

  • 安全性：
  • 不能回收存活的对象 基本要求
  • 吞吐率 (Throughput)：1 - （GC时间/程序执行总时间时间)花在 GC 上的时间
  • 暂停时间 (Pause time): stop the world (STW) 业务是否感知
  • 内存开销 (Space overhead) GC 元数据开销

• 追踪垃圾回收 (Tracing garbage collection)

• 引用计数 (Reference counting)

追踪垃圾回收

• 对象被回收的条件：指针指向关系不可达的对象

• 标记根对象

  • 静态变量、全局变量、敞亮、线程栈等

• 标记：找到可达对象

  • 求指针指向关系 的传递闭包：从跟对象出发。找到所有可达对象

• 清理：所有不可达对象

  • 将存活对象复制到另外的内存空间 (Copying GC)
  • 将死亡对象的内存标记为"可分配” (Mark-sweep GC)
  • 移动井整理存活对象 (Mark-compact GC)

• 根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略

分代GC

• 分代假说 (Generational hypothesis)： most objects die young

• Intuition：很多对象在分配出来后很快就不再使用了

• 每个对象都有年龄：经历过 GC 的次数

• 目的：对年轻和老年的对象，制定不同的 GC 策略，降低整体内存管理的开销

• 不同年龄的对象处于 heap 的不同区域

• 年轻代 (Young generation)

  • 常规的对象分配
  • 由于存活对象很少，可以采用 copying collection 。
  • GC吞 率很高

• 老年代 (Old generation)

  • 对象趋向于一直活着，反复复制开销较大
  • 可以采用 mark-sweep collection

引用计数

• 每个对象都有一个与之关联的引用数目
• 对象存活的条件：当且仅当引用数大于0

• 优点

  • 内存管理的操作被平摊到程序执行过程中
  • 内存管理不需要了解runtime 的实现细节：C++ 智能指针 (smart pointer)

• 缺点

  • 维护引用计数的开销较大：通过原子操作保证对引用计数操作的原子性和可见性
  • 无法回收环形数据结构—— weak reference
  • 内存开销：每个对象都引入的额外内存空间存储引用数目
  • 回收内存时依然可引发暂停