这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 7 天

一、本节课重点内容

1. 自动内存管理

2. Go内存管理及优化

3. 编译器和静态分析

4. Go编译器优化

二、详细知识点介绍

1. 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

三个任务

为新对象分配空间
找到存活的对象
回收死亡对象的内存空间

2. 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collertor

Parallel GC

支持多个collertors同时回收的GC算法

Concurrent GC

mutator(s)和collertor(s)可以同时执行，Collertors必须感知对象指向关系的改变

3. 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
根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略

标记根对象

静态变量、全局变量、常量、线程等

标记

找到可达对象
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)

4. 分代GC

分代假说：most objects die young
Intuition：很多对象在分配出来之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：针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

常规的对象分配
由于存活率很少，可以采用copying collection
GC吞吐率很高

老年代

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

5. 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

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
回收内存时依然可能引发暂停

6. 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
根据对象的大小，选择最合适的块返回

缓存

TCMalloc：thread caching
每个p包含一个mcache用于快速分配，用于为绑定于p上的g分配对象
mcache管理一组mspan
当mcache中的mspan分配完毕，向mcentral申请带有未分配块的mspan
当mspan中没有分配的对象，mspan会被缓存在mcentral中，而不是立刻释放并归还给OS

Go分配对象的性能问题

分配路径过长
小对象过多

Balanced GC

GAB对于Go内存管理来说是一个对象
本质：将多个小对象的分配合并成一次大对象的分配
问题：GAB的对象分配方式会导致内存被延迟释放
方案：移动GAB中存活的对象

7. 编译器的结构

重要的系统软件

识别符合语法和非法的程序
生成正确且高效的代码

分析部分(前端front end)

词法分析，生成词素
语法分析，生成语法树
语义分析，收集类型信息，进行语义检查
中间代码生成，生成IR

综合部分(后端back end)

代码优化，机器无关优化，生成优化后的IR
代码生成，生成目标代码

8. 静态分析

不执行程序代码，推导程序的行为，分析程序的性质

控制流：程序执行的流程
数据流：数据在控制流上的传递
通过分析控制流和数据流，我们可以知道更多关于程序的性质
根据这些性质优化代码

9. 过程内分析和过程间分析

过程内分析：仅在函数内部进行分析
过程间分析：考虑过程调用时参数传递和返回值的数据流和控制流

10. 函数内联

函数内联在大多情况下是正向优化

内联

将被调用函数的函数体的副本替换到调用位置上，同时重写代码以反映参数的绑定

优点

消除函数调用开销，例如传递参数、保存寄存器等
将过程间分析转化为过程内分析，帮助其他优化，例如逃逸分析

缺点

函数体变大，instruction cache不友好
编译生产的Go镜像变大

11. Beast Mode

Go函数内联受到的限制较多

语言特性，例如interface，defer等限制了函数内联
内联策略非常保守

Beast mode

调整函数内联的策略，使更多函数被内联
降低函数调用的开销
增加了其他优化的机会：逃逸分析

开销

Go镜像增加~10%
编译时间增加

12. 逃逸分析

分析代码中指针的动态作用域，指针在何处可以被访问