Go语言自动内存管理｜ 青训营笔记

zuoliangyu
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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 13 天

课堂笔记

本堂课重点内容

  • 自动内存管理的背景和意义
  • 概念和评价方法
  • 追踪垃圾回收
  • 引用计数
  • 分代GC
  • 学术界和工业界在一直在致力于解决自动内存管理技术的不足之处

详细知识点介绍

性能优化

性能优化的层面

  • 业务代码
  • SDK
  • 基础库
  • 语言运行时
  • OS

  • 业务层优化

    • 针对特定场景，具体问题，具体分析
    • 容易获得较大性能收益

  • 语言运行时优化

    • 解决更通用的性能问题
    • 考虑更多场景
    • Tradeoffs

  • 数据驱动

    • 自动化性能分析工具一pprof
    • 依靠数据而非猜测
    • 首先优化最大瓶颈

性能优化与软件质量

  • 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：mal1oc()

  • 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

  • 三个任务

    • 为新对象分配空间
    • 找到存活对像
    • 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

  • 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-\frac{GC时间}{程序执行总时间}—----———————–->花在GC上的时间（越短越好）
    • 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

  • 标记根对像

    • 静态变量、全局变量、常量、线程栈

  • 标记：找到可达对像

    • 求指针指向关系的传递闭包：从根对象出发，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)
    • 将死亡对像的内存标记为"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

  • 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
  • 每个对像都有年龄：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
    • 由于存活对像很少，可以采用copying collection
    • GC吞吐率很高

  • 老年代(Old generation)

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

引用计数

  • 每个对像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)

举例

 p = o       //o被p引用一次
 q = null    //q为空指针
 q = p       //q被赋值为p，此时o被pq引用，共两次
 q = null    //释放q指针
 p = null    //释放p指针
 //o被引用0次，删除对象

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：每个对像都引入的额外内存空间存储引用数目
  • 回收内存时依然可能引发暂停

总结

  • 自动内存管理的背景和意义
  • 概念和评价方法
  • 追踪垃圾回收
  • 引用计数
  • 分代GC
  • 学术界和工业界在一直在致力于解决自动内存管理技术的不足之处

实践练习例子

课后个人总结

  • 垃圾回收机制分为三类，针对不同的情况采取不同的机制
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