Go语言内存管理 | 青训营笔记

洛神萧
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这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第4天

Go语言内存管理

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）：由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

  • GC 三个最主要核心的任务

    1. 为新对象分配空间
    1. 找到存活对象
    2. 回收死亡对象的内存空间

  • 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

  • 评价 GC 算法

    • 安全性（Safety）：不能回收存活的对象 基本要求
    • 吞吐率（Throughput）：1 - 花在 GC 上的时间占程序执行总时间的比率
    • 暂停时间（Pause time）：stop the world（STW） 业务线程暂停的时间 越短越好
    • 内存开销（Space overhead）：GC 元数据开销

追踪垃圾回收

  • 对象回收条件：指针指向关系不可达的对象

分为三步骤：

  1. 标记根对象

    • 静态变量、全局变量、常量、线程栈等

  1. 找到可达对象

    • 从根对象出发，找到所有可达对象

  2. 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）
    • 移动并整理存活对象（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

  • 基于分代假说（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：为年轻和年老的对象，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 的吞吐率很高

  • 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
  • 对象存活条件：当且仅当引用数大于 0 时

  • 优点

    • 内存管理的操作被平摊到程序执行的过程中
    • 内存管理不需要了解 runtime 的实现细节： C++ 的智能指针（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
    • 每个对象引入额外的内存空间以存储引用数目
    • 回收内存时依然可能引发暂停等

Go 内存管理及优化

Go 内存分配

  • 分块

    • 目标：为对象在 heap 上分配内存

    • 提前将内存分块

      • 调用系统调用 mmap() 向 OS 申请一大块内存
      • 先将内存划分成大块，例如 8 KB，称作 mspan
      • 再将大块继续划分成特定大小的小块，用于对象分配
      • noscan mspan：分配不包含指针的对象 ———— GC 不需要扫描
      • scan mspan：分配包含指针的对象 ———— GC 需要扫描
    • 对象分配：根据对象的大小，选择最合适的块返回
  • 缓存

Go 内存管理优化

  • 对象分配是非常高频的操作：每秒分配 GB 级别的内存

    • 小对象占比较高

    • Go 内存分配比较耗时

      • 分配路径长
      • pprof：对象分配的函数是最频繁调用的函数之一

  • 优化方案：Balanced GC

    • 指针碰撞风格的对象分配
    • 实现了 copying GC
    • 性能收益
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