Go的内存管理

本文翻译自Memory Management in Go，介绍了Go语言中内存管理的相关概念。

所有的计算机程序语言都必须处理内存管理，本文将讨论Go语言使用的一些内存管理概念。

堆栈，堆和数据段

在计算机环境中，有三个地方可以分配内存：堆栈，堆和数据段。

堆栈

一部分内存分配是在堆栈上完成的。堆栈拥有一个可以上下移动的顶部，通过向上移动栈顶可以在堆栈上分配空间，并且可以通过将栈顶向下移动来释放空间。栈顶是一个内存地址，可以通过快速的算术运算进行递增或递减。

通常，函数参数和局部变量在堆栈上进行分配。

每一个 goroutine 都拥有自己的堆栈，因此不需要同步(例如加锁)。

Goroutine 的堆栈在堆上进行分配。如果堆栈需要的内存大小超出分配给它的大小，那么将会发送堆操作(分配新的空间，将旧空间的内容复制到新空间中，释放旧空间)

堆

还有一部分内存空间被分配在堆上。与堆栈不同的是，堆并没有一个单个的区域用来分配或者释放。相反，堆中包含一组空闲的区域，必须使用某种数据结构来管理这组空闲区域(一般来说是一棵二叉树)。当在堆上进行内存分配时，将会从这片空闲区域中删除某个结点，当这块内存需要释放时，又会将它添加回这组空闲区域中。

与堆栈不同，堆不属于某个 goroutine, 因此操作堆中空闲区域的集合时需要进行同步(例如锁定)。

数据段

内存也可以在数据段中分配。这是全局变量的存储位置。数据段在程序编译时确定，因此在运行时不会增长或缩小。

将在何处分配内存

Go程序语言规范并未定义将会在何处分配内存。例如，定义为var x int的变量可以分配在堆栈或堆上，并且仍然遵循语言规范。同样，由p := new(int)定义的整形指针也可以分配在堆栈或堆上。

但是，某些既定要求会在某些条件下排除一些选项，例如：

• 数据段的大小在运行时不能改变，因此不能用于可改变大小的数据结构
• 某些在堆栈中的项的生命周期会按照其在堆栈中的位置进行排序，如果栈顶地址是X，那么在X之上的所有内容都将被释放，而X以下的所有内容将被保留。由函数分配的内存项如果被函数作用域范围外的项引用，那么它将"逃逸"出这个函数，因此不能在堆栈上进行分配(因为它仍然被引用)，并且也不能在数据段上分配(因为数据段在运行时无法增长)，所以它只能在堆上进行分配 - 虽然内联可以减少其中的一些堆分配。

逃逸分析

逃逸分析用来确定内存项是否可以在堆栈上进行分配。它确定一个函数中创建的项目(例如局部变量)是否可能逃逸出该函数，或者到其他 goroutine 中。例如，在下面的函数中，x 从定义它的函数中逃逸出来：

package escapeanalysis
 
 func Foo() *int {
     var x int
     return &x
 }

可能逃逸的项必须分配在堆上，因此 x 将被分配在堆上。

确切的逃逸分析算法可能在不同版本的Go中发生改变。但是，你可以使用go tool compile -m来打印优化策略，其中包含逃逸分析。例如，前面的程序在Go 1.8.3 版本中会得到如下输出：

escape.go:3: can inline Foo
escape.go:5: &x escapes to heap
escape.go:4: moved to heap: x

垃圾回收

Go的内存管理支持垃圾收集。Go的垃圾收集器为了完成任务，偶尔不得不STW(stop the world)。自从1.5版本以来，收集器的设计使得在50毫秒的执行时间内STW任务的时间不会超过10毫秒。

垃圾收集器必须知道堆和堆栈中分配的项目。很容易看出，如果你发现一个堆中分配的项目H，引用了一个堆栈中分配的项目S，很明显，垃圾收集器将不会释放H，直到S被释放掉，因此，垃圾收集器必须知道S的生命周期。

性能

如果你的程序是CPU密集型，请使用 runtime/pprof和go tool pprof来分析程序。如果你发现像 growslice 或 newobject 这样的符号占用了大量时间，那么优化内存分配可能会提高性能。

假设你已经确定优化内存分配可以提高程序性能，那么请减少分配的数量 - 尤其是堆分配。

1. 重用已分配的内存
2. 重构你的代码，以便编译器可以进行堆栈分配而不是堆分配。使用go tool compile -m来帮助你识别将被分配到堆上的逃逸变量，然后重写你的代码以便可以进行堆栈分配。
3. 重构你的CPU密集型代码，以便可以在几个大内存块中进行内存分配，而不是连续分配小块的内存。