这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 7 天

入门GO语言-性能优化及自动内存管理(一)

性能优化是什么?

• 提升软件系统处理能力，减少不必要的消耗，充分发掘计算机算力

为什么要做性能优化?

• 用户体验:带来用户体验的提升一让刷抖音更丝滑，让双十一购物不再卡顿
• 资源高效利用:降低成本，提高效率―很小的优化乘以海量机器会是显著的性能提升和成本节约

优化

• 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——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

内存管理优化

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
• 三个任务
  • 为新对象分配空间
  • 找到存活对象
  • 回收死亡对象的内存空间

自动内存管理-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): $1-\frac{GC时间}{程序执行总时间}$花在GC上的时间
    - 暂停时间(Pause time): stop the worla (SIW) 业分定白感
    - 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、常量、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)Copying GC: 将对象复制到另外的内存空间
  • 将死亡对象的内存标记为“可分配”(Mark-sweep GC)Mark-sweep GC:使用free list管理空闲内存
  • 移动并整理存活对象(Mark-compact GC)Compact GC:原地整理对象
• 根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略

分代 GC (Generational GC)

• 分代假说(Generational hypothesis: most objects die young
• lntuition: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
  • 回收内存时依然可能引发暂停