自动内存管理 | 青训营笔记

cpp_yyds
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这是我参与「第五届青训营 」笔记创作活动的第 9 天

前言

在前一节课中了解了高质量编码和性能优化方面的知识，其中在性能优化中提到了 Go 语言优化，Go 语言优化可以从内存管理和编译器优化两方面进行，本文主要介绍自动内存管理相关知识。

重点内容

  • 性能优化
  • 自动内存管理概念
  • 追踪垃圾回收
  • 引用计数
  • 分代 GC

知识点介绍

首先介绍一些相关术语：

  • Auto memory management: 自动内存管理
  • Grabage collction: 垃圾回收
  • Mutator: 业务线程
  • Collector: GC 线程
  • Concurrent GC: 并发 GC
  • Parallel GC: 并行 GC
  • Tracing garbage collection: 追踪垃圾回收
    • Copying GC: 复制对象 GC
    • Mark-sweep GC: 标记-清理 GC
    • Mark-compact GC: 标记-压缩 GC
  • Reference counting: 引用计数
  • Generational GC: 分代 GC
    • Young generation: 年轻代
    • Old generation: 老年代

性能优化

性能优化：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。

目的：带来用户体验的提升，降低成本，提高效率。

性能优化层面：

  • 业务层优化：针对特定场景，具体问题，具体分析
  • 语言运行时优化：解决更通用的性能问题，考虑更多场景
  • 数据驱动：自动化性能分析工具 — pprof，依靠数据而非猜测

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。

测试用例应覆盖尽可能多的场景，方便回归。

通过清晰的文档告诉用户这一项优化做了什么，没做什么，能达到怎样的效果。

优化代码用选项和原先的路径隔离，保证优化未启用时的行为同以前一致。

自动内存管理概念

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

下面是一些自动内存管理的相关概念：

  • 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

    serialgc.png

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

    parallelgc.png

  • Concurrent GC: 并发 GC，支持 mutator(s) 和 collector(s) 同时执行的 GC 算法

    concurrentgc.png

    • Collectors 必须感知对象指向关系的改变！

collectors.png

评价 GC 算法：

  • 安全性：不能回收存活的对象 基本要求
  • 吞吐率 花在 GC 上的时间
  • 暂停时间 业务是否感知
  • 内存开销 GC 元数据开销

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

  • 追踪垃圾回收的过程：

    • 标记根对象 (GC roots)：静态变量、全局变量、常量、线程栈等

    • 标记：找到所有可达对象--从根对象出发，求指针指向关系的传递闭包

    • 清理：回收所有不可达对象占据的内存空间

      • Copying GC: 将存活对象从一块内存空间复制到另外一块内存空间，原先的空间可以直接进行对象分配

        copying gc.png

      • Mark-sweep GC: 将死亡对象所在内存块标记为可分配，使用 free list 管理可分配的空间

        marksweep gc.png

      • Mark-compact GC: 将存活对象复制到同一块内存区域的开头

        markcompact gc.png

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：most objects die young ---- 很多对象在分配出来后很快就不再使用了

每个对象的年龄：经历过 GC 的次数

分代 GC 的目的：针对年轻和老年的对象，制定不同的 GC 策略，降低整体内存管理开销

不同年龄的对象.png

  • 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 GC
    • GC 吞吐率很高
  • 老年代（Old Generation）：
    • 对象趋于一直存活，反复复制开销较大，可以采用 Mark-sweep GC

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

    引用计数.png

  • 优点：

    • 内存管理的操作被平摊到程序运行中：指针传递的过程中进行引用计数的增减
    • 不需要了解 runtime 的细节：因为不需要标记 GC roots，因此不需要知道哪里是全局变量、线程栈等

  • 缺点

    • 开销大，因为对象可能会被多线程访问，对引用计数的修改需要原子操作保证原子性和可见性
    • 无法回收环形数据结构
    • 每个对象都引入额外存储空间存储引用计数
    • 虽然引用计数的操作被平摊到程序运行过程中，但是回收大的数据结构依然可能引发暂停

ps：以上所讲述的技术的缺点并非是无法解决的问题。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。例如，最新的 PLDI'22 的文章 Low-Latency, High-Throughput Garbage Collection

总结

本文主要介绍了自动内存管理的相关概念，并详细介绍了追踪垃圾回收、分代 GC 及引用计数等自动内存管理技术，了解这些基础知识有助于后续学习 Go 内存管理及优化的内容。

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