这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 13 天

自动内存管理

所谓自动内存管理，其实就是指垃圾回收，在 Go 中，程序在运行时根据需求动态分配的内存（即动态内存）会被纳入自动内存管理的范畴。

通过自动内存管理，我们可以避免手动释放内存，将注意力专注在业务逻辑，同时还可以避免发生内存安全问题（诸如内存重复释放问题 double-free problem 或是内存释放后使用问题 use-after-free problem）。

一个垃圾回收周期大致有三个任务：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。

要想详细了解垃圾回收，就必须先了解其相关概念：

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（串行 GC）：只有一个 collector；
Parallel GC（并行 GC）：支持多个 collectors 同时回收的 GC 算法；
Concurrent GC（并发 GC）：mutator(s) 和 collector(s) 可以同时执行。

要想评价一个 GC 算法，大概可以从以下几个方面进行：

安全性（Safety）：指垃圾回收器不应回收存活的对象；
吞吐率（Throughput）：指垃圾回收器花在 GC 上的时间占程序执行总时间的比率；
暂停时间（Pause time）：指垃圾回收导致业务线程挂起（暂停）的时间（GC 导致的暂停被称为 stop the world, STW）
内存开销（Space overhead）：指垃圾回收器元数据占用的内存开销；

接下来，将从几个经典的垃圾回收器算法简述垃圾回收。

追踪垃圾回收

追踪垃圾回收（Tracing Garge Collection） 是一种最常见的垃圾回收方式，它通过跟踪哪些对象可以通过来自某些“根”对象的引用链访问来确定哪些对象应该被释放（“垃圾回收”），并将其余对象视为“垃圾”并收集它们。追踪垃圾回收也是 Go 目前正在使用的垃圾回收算法。

简单来说，追踪垃圾回收以如下方式工作：

首先，标记根对象，这些根对象可能包括静态变量，全局变量，常量，线程栈等；
然后，从根对象触发，找到所有引用根对象的可达对象；
最后，清理所有不可达对象，这分为三个步骤：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）。

根据对象的生命周期，垃圾回收器可能会使用不同的标记和清理策略。

分代 GC

与 Go 相同，Java 也支持垃圾回收，而 Java 目前主流的垃圾回收器 G1GC（Garbage First Garbage Collector），就是一种分代垃圾回收器（Generational GC） 。

分代 GC 的设计来源于分代假说（Generational hypothesis） —— most objects die young，即大多数对象在很短的生命周期内就会死亡，分配出来后很快就不再使用了。通过为年轻和年老（经历过 GC 的次数越多则越老，反之越年轻）的对象指定不同的 GC 策略，降低整体内存管理的开销。

对于年轻代（Young generation）的对象，可以采用 copying collection，且提高 GC 的吞吐率；对于老年代（Old generation）的对象则可以采用 mark-sweep collection。

引用计数

确定一个对象需要被回收的另一种方式是引用计数（Referenct counting） ，其为每一个对象维护一个与之关联的引用数目，当且仅当引用数大于 0 时，该对象才会被标记为存活，否则，对象会被回收。

引用计数方案的优点是，内存管理的操作被平摊到程序执行的过程中（当新建对象，或是将对象添加到一个集合中时增加引用计数，反之，销毁对象或是从集合中移除时减少引用计数），并且内存管理不需要了解 runtime 的实现细节（例如 C++ 的智能指针）；

相反，其缺点就是维护引用计数的开销较大（因为引用计数操作必须是原子的），无法回收环形数据结构（因为所有对象都直接或间接的互相引用对方），每个对象引入额外的内存空间以存储引用数目，回收内存时依然可能引发暂停等。

Go 内存管理优化

Go 内存分配

分块：可以通过系统调用（mmap()）提前向操作系统申请一大块内存，然后再不断将内存分配成特定大小的小块，用于对象分配；将内存分配为包含指针的大块（scan mspan）和不包含指针的大块（noscan mspan）来有针对性地进行 GC。
缓存：通过维护 mcache 管理一组 mspan 加快内存分配效率，避免重复向操作系统申请内存。
Balanced GC

编译器和静态分析

编译器（Compiler）可以将源代码转换为计算机可执行二进制文件，这包含了很多步骤，例如词法分析，语法分析，语义分析，中间代码生成等。通过这些分析，编译器可以知道开发者的实际意图并为其优化代码并生成编译结果。

Go 编译器优化

函数内联（Inlining）
Beast Mode
逃逸分析

总结

本文主要总结了Go语言内存管理方面的一些知识点，从Go语言内存管理的实现到Go语言内存管理所存在的问题，最后总结Go语言内存管理优化与分析以及字节方面的应用与解决方案。

Go语言内存管理 ｜ 青训营笔记