Go 语言内存管理详解 | 青训营笔记这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 8 天自动内存管理背景动态

这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 8 天

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
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：会有暂停，只有一个collector
- Parallel GC：会有暂停，支持多个collector同时回收GC
- Cocurrent GC：无显式暂停，mutator(s)和collectors(s)可以同时执行 -- colectors必须感知对象指向关系的改变
评价GC算法
- Safety：基本要求，不能回收存活对象
- Throughput：花在GC上的时间
- Pause Time：业务是否感知 STW（stop the world）
- Space overhead：GC元数据开销

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零
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
- 维护开销大，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
- 内存开销：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

目标：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 4 MB
- 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：TCMalloc：thread caching
- Go 内存管理构成了多级缓存机制，从 OS 分配得的内存被内存管理回收后，也不会立刻归还给 OS，而是在 Go runtime 内部先缓存起来，从而避免频繁向 OS 申请内存。
- mspan -> mcache -> mcentral -> mheap -> virtual memory

mspan, mcache 和 mcentral 构成了内存管理的多级缓存机制。

核心：将 noscan 对象在 per-goroutine allocation buffer (GAB) 上分配，并使用移动对象 GC 管理这部分内存，提高对象分配和回收效率
每个goroutine都绑定一大块内存（1KB）称作goroutine allocation buffer (GAB) -- 对于Go内存管理来说是一个大对象
使用三个指针维护 GAB：base，end，top
Bunp pointer（指针碰撞）风格对象分配：无需和其他分配请求互斥、简单高效
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的对象分配方式导致内存被延迟是否 -- 方案：
- 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GAB可以释放避免内存泄漏
- 本质：用copying GC的算法管理小对象

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 逃逸出 s，反之则没有逃逸出 s.
优化：未逃逸出当前函数的指针指向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 即可完成内存的分配和回收；
- 减少在堆上分配对象，降低 GC 负担。