这是我参与「第五届青训营」笔记创作活动的第10天！
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，例如4MB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
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内存管理优化
优化原因
- 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内存分配比较耗时原因:
- 分配路径长:g -> m ->p -> mcache -> mspan -> memory block -> return pointer
- 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
- 每个g都绑定一大块内存(1 KB)，称作goroutine allocation buffer (GAB)
- GAB用于noscan类型的小对象分配:<128 B
- 使用三个指针维护GAB：base，end，top
- Bump pointer（指针碰撞）风格对象分配：无需和其他分配请求互斥，分配动作简单高效
GAB对于Go内存管理来说是一个对象，他的本质其实就是将多个小对象的分配合并成一次大对象的分配
但这样GAB就会产生一个无法忽视的问题，如下图，如果下面这个GAB对象只有黑色部分小对象是存活的，就有可能导致整个GAB对象的存活。设想如果黑色部分只有8b，而整个GAB有1k，那这种分配方式岂不是会导致内存被延迟释放
针对这一问题，提出了移动GAB中存活对象的方法
- 当GAB总大小超过一定阈值时，将GAB中存活的对象复制到另外分配的GAB中
- 原先的GAB可以释放，避免内存泄漏
- 本质是用copying GC的算法管理小对象。根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略
性能收益
使用Balanced GC，高峰期CPU usage降低4.6%，核心接口时延下降4.5%~7.7%
编译器和静态分析
编译器结构
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
我们主要学习编译器后端优化
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
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
- 控制流：程序执行的流程
- 数据流：数据在控制流上的传递
过程内分析与过程间分析
- 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
Go编译器优化
简介
为什么做编译器优化
- 用户无感知，重新编译即可获得性能收益
- 通用性优化
现状
- 采用的优化少
- 编译时间短，没有进行较复杂的代码分析和优化
编译优化的思路
- 场景：面向后端长期执行任务
- Tradeoff:用编译时间换取更高效的机器码
函数内联（Inlining）
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
- 使用micro-benchmark快速验证和对比性能优化结果
缺点
- 函数体变大，instruction cache不友好
- 翻译生成的Go镜像变大
总体来看函数内联在大多数情况下是正向优化
Beast mode
由于Go函数内联受到的限制很多，例如interface，defer等，导致了内联策略非常保守。进而提出了Beast mode
Beast mode调整了函数内联的策略，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，如逃逸分析
逃逸分析
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
大致思路
- 从对象分配处出发，沿着控制流，观察对象的数据流
- 若发现指针p在当前作用域s :
- 作为参数传递给其他函数
- 传递给全局变量
- 传递给其他的goroutine
- 传递给已逃逸的指针指向的对象
- 则指针p指向的对象逃逸出s，反之则没有逃逸出s
Beast mode起到作用：函数内联拓展了函数边界，使更多对象不逃逸
优化：为逃逸的对象可以在栈上分配
- 对象在栈上分配和回收很快：移动sp
- 减少在heap上的分配，降低GC负担
总结
本节课重点学习了Go语言的内存管理以及性能优化的知识，字节在实践中通过Balanced GC优化对象分配，通过Beast mode来提升代码性能。这种语言优化思路以及分析问题的方法是非常具有普适性的，不仅在Go语言，对于C和Java的分析有也很好的帮助
