Go语言内存管理|青训营笔记（五）

这是我参与「第五届青训营 」笔记创作活动的第5天，本文主要介绍了go语言的内存管理机制以及编译器的优化

1.自动内存管理（垃圾回收）

1.1 GC相关概念

自动内存管理又称垃圾回收(Garbage Collector,简称GC)是管理的动态内存，而动态内存是指程序在运行时根据需求动态分配的内存。而自动内存管理则是由程序语言在运行时系统管理动态内存，这样就能避免程序员手动管理内存，更专注于业务设计；也能保证内存的安全性和正确性。

自动内存管理主要有三大任务：

• 为新对象分配内存；
• 找到存活对象；
• 回收死亡对象的内存。

自动内存管理中有以下这些概念需要搞清：

• 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，且当GC线程运行时，业务线程会暂停；
• Parallel GC：支持多个collectors同时回收的GC算法，同样会暂停业务线程；
• Concurrent GC：Mutator和collector可同时运行；由于Mutator运行时可能会分配新对象，所以collectors必须可以感知对象指向关系的变化。

评价一个GC算法的性能可以从以下几个方面考察：

• 安全性：不能回收存活对象（基本要求）
• 吞吐率：$1-\frac{GC时间}{程序执行总时间}$，最主要用于计算GC在总程序时间中的占比
• 暂停时间：判断业务是否感知
• 内存开销：GC中元数据所占用的内存

1.2 追踪垃圾回收

自动内存管理中最重要的功能就是能及时回收死亡对象内存，而死亡对象可以定义为指针指向关系不可达的对象，这也是对象被回收的条件。在垃圾回收中，一般分为两个步骤：标记、清理；标记是从标记根对象（静态变量、全局变量、常量、线程栈等）出发，找到所有可达的对象，并标记这些对象。清理是将没有被标记的也就是不可达的对象回收内存，根据对象的生命周期，可以使用不同标记、清理方式，主要分为以下三种：

• Copying GC:将存活的对象复制到另外的内存空间，再将当前内存清空。
• Mark-sweep GC：将未标记的死亡的对象的内存标记为“可分配”。
• Mark-compact GC：移动并整理存活对象（原地操作，不占用额外内存）。

1.3 分代GC（Generational GC）

分代假说是指很多对象在分配出来后很快就不再使用了。可以将每个对象经过垃圾回收的次数作为对象的年龄，年龄越小，则表示对象刚被创建出，随时有可能会被回收；而年龄越大则表示对象一直趋于活着，反复复制开销大。可以看到不同年龄有不同的特点，为此可以将内存分为两部分，一部分存储年轻代，一部分存储老年代。对于不同的年龄，可以制定不同GC策略，从而降低整体内存管理开销。对于年轻代，由于存活数较少，可以使用Copying GC；而对于老年代，存活时间较长，可以使用Mark-sweep GC

1.4 引用计数

引用计数是指每个对象都有一个与之关联的引用数目，只有当数目大于零时才表示对象存活；当计数为零时也就表示没有该对象没有被引用，也就是死亡对象。引用计数的优缺点如下：

• 优点

1. 内存管理的操作被平摊到程序执行过程中。
2. 内存管理不需要了解runtime的实现细节，如C++中的智能指针。

• 缺点

1. 维护引用计数的开销较大：通过原子操作保证对引用计数的原子性和可见性。
2. 无法回收环形数据结构。
3. 内存开销：每个对象都引入额外的内存存储引用数目。
4. 回收内存时依然可能引发暂停。

2. Go语言内存管理

2.1 分块

GO语言在分配内存前，会先将内存分块，其具体步骤如下：

1. 使用系统调用mmap()向OS申请一大块内存。
2. 将内存划分为大块，称为mspan。mspan又可分为两类：

• 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

3. 再将大块继续划分为特定大小的小块，用于对象分配。

在给对象分配内存时，只需根据内存的大小选择最合适的块返回。

2.2 缓存

Go语言采用的TCMalloc从程序的每个goroutine出发，每个进程都需要分配内存。每个m会绑定一个p，而每个p包含一个mcache用于快速分配，用于绑定p上的g分配对象。mcahe管理一组mspan，当g需要内存时就通过mcahe