Golang 语言的内存管理

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内存分布

什么是虚拟内存？

计算机系统内存管理的一种技术。
每个进程都拥有独立的、连续的、统一的的虚拟地址空间。
通过 MMU 和物理内存映射，高效使用物理内存。
64 位 linux 进程内存分布情况

理论上有 16E 的寻址空间，目前没有操作系统会用到这么大的空间
目前用了 48 位的寻址空间，总的虚拟地址空间为 256TB
用户空间为 128T
用户空间布局和 linux 布局一样
堆和栈：

空间大小：每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上，程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小，进程栈的大小 64bits 的 Windows 默认 1MB，64bits 的 Linux 默认 10MB；
分配效率：栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是由库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。
分配方式：栈由操作系统自动分配释放 ，用于存放函数的参数值、局部变量等，其操作方式类似于数据结构中的栈；堆由开发人员分配和释放， 若开发人员不释放，程序结束时由 OS 回收，分配方式类似于链表。

数据类型的内存结构

基础类型

类型	长度	默认值	说明
bool	1	false
byte	1	0	uint8
int,uint	4，8	0	默认整数类型，依据目标平台，32 或 64 位
int8,uint8	1	0	-128~127，0~255
int16,uint16	2	0	-32,768~32,767，0~65,535
int32,uint32	4	0	-21亿~21 亿，0~42 亿
int64,uint64	8	0
float32	4	0.0
float64	8	0.0	默认浮点数类型
complex64	8
complex128	16
rune	4	0	Unicode Code Point，int32
uintptr	4，8	0	足以存储指针的uint
string		""	字符串，默认值为空字符串，而非 NULL
array			数组
struct			结构体
function		nil	函数
interface		nil	接口
map		nil	字典，引用类型
slice		nil	切片，引用类型
channel		nil	通道，引用类型

字符串

type stringStruct struct {
 str unsafe.Pointer
 len int
}

// Variant with *byte pointer type for DWARF debugging.
type stringStructDWARF struct {
 str *byte
 len int
}

类型为 byte 的只读切片（[]byte，长度为 len）
结构体大小：16 字节
str 指针指向字符串首字节，以字节为单位存储
字符串长度

通过实例代码，查看字符串长度：

str := "hello北京"
fmt.Println(len(str)) //11
fmt.Println(utf8.RuneCountInString(str)) // 7

for index, runeValue := range str {
  fmt.Printf("%d: %c\n", index, runeValue)
}

// 0:h
// 1:e
// 2:l
// 3:l
// 4:o
// 5:北
// 8:京

使用 len() 获取字符串长度，返回的是字节长度，如果想要获取 unicode 长度，需要使用 utf8 包的方法。

需要注意的是，在使用 for range 遍历字符串时，index 是按照字节顺序产生的，value 是以 unicode 顺序产生的。

字符串连接

由于字符串是只读的，所以字符串连接操作必然会涉及到内存拷贝。

方式	用法	特点	适用场景
+操作符	s += "hello" + "北京" + "2021"	每次拼接，都申请新的内存块，只能是字符串类型使用，可读性强，性能一般	少量字符串拼接时
fmt.Sprint	s = fmt.Sprint("hello","北京",2021)	内部使用[]byte实现，涉及到类型转换，可以拼接其他类型，性能一般	少量非字符串类型拼接时
strings.Join	s = strings.Join([]string{"hello","北京","2021"},"")	只能拼接字符串数组，不灵活	已存在字符串数组时
bytes.Buffer	var b bytes.Buffer b.WriteString("hello") b.WriteString("北京") b.WriteString("2021") s = b.String()	拼接字符串、字符和 unicode，底层使用[]byte，设计到 string 和 []byte 之间转换	少量字符串拼接时
strings.Builder	var b strings.Builder b.WriteString("hello") b.WriteString("北京") b.WriteString("2021") s = b.String()	拼接字符串、字符和 unicode，使用unsafe.Pointer 优化了 string 和 []byte 之间的转换	大量字符串拼接

少量字符串拼接时，推荐使用+操作符，可读性强；如果性能要求高时，推荐使用 string.Builder。

切片 - slice

type slice struct {
 array unsafe.Pointer
 len   int
 cap   int
}

切片为：数组的引用
结构体程度：8+8+8=24 字节
增加切片元素：append 方法 cap 不够时，cap < 1024，cap 容量成倍增加；cap >= 1024 时，按照 1.25 倍扩容。

a := []int{1}
fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
a = append(a, 2)
fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
a = append(a, 3)
fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
a = append(a, 4, 5)
fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)

// 输出结果：
// len: 1 cap: 1 data: [1]
// len: 2 cap: 2 data: [1 2]
// len: 3 cap: 4 data: [1 2 3]
// len: 5 cap: 8 data: [1 2 3 4 5]

底层数组扩容时，运行时会新生成一块扩容后大小的内存，然后把数据拷贝过去，这里涉及到一定的内存拷贝开销，建议尽量计算好需要使用的容量，避免自动扩容。

切片作为函数参数传递

func main() {
  a := []int{1,2,3}
  fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
  appendSlice(a)
  fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
}

func appendSlice(a []int) {
  a = append(a, 4)
}

// 输出结果：
// len: 3 cap: 3 data: [1 2 3]
// len: 3 cap: 3 data: [1 2 3]

通过代码输出结果可以看到，切片作为函数参数传递，没有追加成功。

a 传入 appendSlice 后，属于值传递，新生成一个和 a 一样的切片结构体 a1，指向同样的底层数组。

a = append(a, 4) 实际上是操作 a1，a 的 len、cap 未变，所以两次打印的数据一样。

注意：切片是结构体，传入函数会新生成结构体实参，如果需要在函数内部改变切片值，需要显示返回：

func appendSlice(a []int) []int {
  a = append(a, 4)
  return a
}

另外，还可以使用指针传递。

指针传参

func main() {
  a := []int{1,2,3}
  fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
  appendSlice(a)
  fmt.Printf("len: %d cap: %d data: %+v\n", len(a), cap(a), a)
}

func appendSlice(a *[]int) {
  *a = append(*a, 4)
}

// 输出结果：
// len: 3 cap: 3 data: [1 2 3]
// len: 4 cap: 6 data: [1 2 3 4]

Golang 语言中的指针 简约版 C 语言指针

• 类型安全：不支持指针运算
• 灵活性
• 参数传递
• 固定大小：8 字节

Map

• 结构体
• 底层使用桶来存储散列值
• 使用 hash 算法选择具体的桶
• 2 倍速度扩容

// A header for a Go map.
type hmap struct {
 // Note: the format of the hmap is also encoded in cmd/compile/internal/gc/reflect.go.
 // Make sure this stays in sync with the compiler's definition.
 count     int // # live cells == size of map.  Must be first (used by len() builtin)
 flags     uint8
 B         uint8  // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
 noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
 hash0     uint32 // hash seed

 buckets    unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
 oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
 nevacuate  uintptr        // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)

 extra *mapextra // optional fields
}

map 作为函数的参数传递时，建议使用指针的方式传递。

interface

• 结构体
• 方法集合，duck-type
• 隐藏实现

type Stringer interface {
  String() string
}

type Binary uint64

func (i Binary) String() string {
  return strconv.FormatUint(i.Get(), 2)
}

func (i Binary) Get() uint64 {
  return uint64(i)
}

func main() {
  var b Binary = 200
  s := Stringer(b)
  fmt.Print(s.String())
}

chan

• 结构体
• 存储 goroutine 之间发送的消息和状态

type hchan struct {
 qcount   uint           // total data in the queue
 dataqsiz uint           // size of the circular queue
 buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
 elemsize uint16
 closed   uint32
 elemtype *_type // element type
 sendx    uint   // send index
 recvx    uint   // receive index
 recvq    waitq  // list of recv waiters
 sendq    waitq  // list of send waiters

 // lock protects all fields in hchan, as well as several
 // fields in sudogs blocked on this channel.
 //
 // Do not change another G's status while holding this lock
 // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
 // with stack shrinking.
 lock mutex
}

chan 作为函数参数传递时，建议使用指针的方式传递。

编译器处理

Go 语言编译器与内存 和 C 语言编译器一样，Go 语言编译器也将 Go 代码转换为符合 Linux 进程内存规范的二进制代码：

• 执行代码加载到 Text 段
• 全局变量加载到 Data 段
• 临时变量和函数执行都会通过栈的 Push 和 Pop 来执行
• 堆上分配程序运行时申请的内存

逃逸分析

• 编译期间确定一个对象放栈上还是放堆上
• 编译器如果能在编译期间确定变量的生命周期，就会在栈上分配，否则就是逃逸行为，需要在堆上分配内存。分配效率，栈大于堆，空间大小，堆大于栈。
• 需要尽量避免逃逸行为

逃逸的几种典型情况

• 函数返回内部变量的指针
• 发送指针或带有指针的值到 channel 中
• 在一个切片上存储指针或带指针的值
• slice 的背后数组被重新分配了，因为 append 时可能会超出其容量（cap）
• 在 interface 类型上调用方法

检查是否逃逸：go build -gcflags "-m"

type S struct {}

func main() {
  var x S
  _ = *ref(x)
}

func ref(z S) *S {
  return &z
}

内存分配

内存分配算法的基本策略：

1. 每次从操作系统申请一大块内存（比如 1MB），以减少系统调用。
2. 将申请到的大块内存按照特定大小预先切分成小块，构成链表。
3. 为对象分配内存时，只需从大小合适的链表提取一个小块即可。
4. 回收对象内存时，将该小块内存重新归还到原链表，以便复用。
5. 如闲置内存过多，则尝试归还部分内存给操作系统，降低整体开销。

优秀的内存分配器必须要在性能和内存利用率之间做到平衡，Golang 语言的内存分配器使用的内存分配算法是 tcmalloc。

在 tcmalloc 内存管理内部又分为两部分：线程内存（thread memory）和页堆（page heap）。

1. 每一个线程都可以获得一个用于无锁分配小对象的缓存，这样可以让并行程序分配小对象（小于等于 32kb）非常高效。
2. tcmalloc 管理的堆由一组页组成，一组连续的页被表示为 span。当分配的对象大于 32kb，将使用页堆（page heap）进行内存分配。

Golang 语言的内存分配器由三种组件组成，

• cache：每个运行期工作线程都会绑定一个 cache，用于无锁 object 分配。
• central：为所有 cache 提供切分好的后备 span 资源。
• heap：管理限制 span，需要时向操作系统申请新内存。

Golang 语言的内存分配器分配流程：

1. 计算待分配对象对应的规格（size class）。
2. 从 cache.alloc 数组找到规格相同的 span。
3. 从 span.freelist 链表提取可用 object。
4. 如 span.freelist 为空，从central 获取新 span。
5. 如 central.nonempty 为空，从 heap.free/freelarge 获取，并切分成 object 链表。
6. 如 heap 没有大小合适的闲置 span，向操作系统申请新内存块。

总结

本文开篇简要介绍了内存分布的相关知识，接着主要是介绍 Golang 语言数据类型的内存结构，最后介绍 Golang 语言的编译器和内存分配的知识。限于篇幅，本文未介绍垃圾回收（GC）相关的知识，我准备单开一篇文章来介绍。

本文重点是希望可以帮助读者了解 Golang 语言数据类型的内存结构，有助于在开发时避开一些隐藏的「坑」。

关于 Golang 编译器和内存分配的知识，有很多文章或书籍做了深入讲解，文末参考资料也列出一些，读者可以自行查找相关资料或查看 runtime 源码。推荐阅读「深入理解计算机系统」，可以帮助您更好地去理解Golang语言的内存分配。