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Golang內(nèi)存分配機(jī)制詳解

更新時(shí)間：2023年12月20日 08:59:30 作者：路多辛

Go 語(yǔ)言的內(nèi)存分配機(jī)制是理解和優(yōu)化 Go 程序性能的關(guān)鍵,在 Go 中,內(nèi)存管理是自動(dòng)進(jìn)行的,這得益于 Go 的垃圾回收機(jī)制,了解內(nèi)存如何分配和回收,可以幫助我們寫(xiě)出更高性能的代碼,本文將深入講解下 Go 內(nèi)存分配機(jī)制,需要的朋友可以參考下

內(nèi)存分配的基本原理

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，內(nèi)存分配是指為程序中的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲(chǔ)空間的過(guò)程。在 Golang 中，內(nèi)存分配主要由 Go 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)（runtime）負(fù)責(zé)，主要包括以下兩個(gè)方面：

堆內(nèi)存分配：堆內(nèi)存是用于動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存區(qū)域，主要用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行過(guò)程中創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過(guò) new、make 等函數(shù)或者使用指針進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)，都會(huì)在堆上分配內(nèi)存。
棧內(nèi)存分配：棧內(nèi)存是用于存放函數(shù)調(diào)用時(shí)的局部變量和返回地址等信息的內(nèi)存區(qū)域?；绢?lèi)型（如整型、浮點(diǎn)型、布爾型等）和小對(duì)象（通常小于 64 字節(jié)）的內(nèi)存分配通常發(fā)生在棧上。

Go 使用了一個(gè)稱為“tcmalloc”（thread-caching malloc）的內(nèi)存分配器，最初由 Google 開(kāi)發(fā)。tcmalloc 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少全局鎖的競(jìng)爭(zhēng)，提高多線程程序的性能。Go 的內(nèi)存分配器是基于 tcmalloc 概念的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，有幾個(gè)關(guān)鍵的組成部分：

M: 代表操作系統(tǒng)線程（machine）。
P: 代表處理器（processor），管理著一組本地緩存。
G: 代表 goroutine，是 Go 程序執(zhí)行的最小單位。

每個(gè) P 都有自己的內(nèi)存緩存（mcache），用于小對(duì)象的快速分配。當(dāng) mcache 用完時(shí)，P 會(huì)從中心緩存（mcentral）獲取內(nèi)存。如果 mcentral 也不足，內(nèi)存分配器會(huì)向操作系統(tǒng)請(qǐng)求更多內(nèi)存。

Golang 內(nèi)存分配的機(jī)制

小對(duì)象分配，小對(duì)象（一般小于 32KB）的分配是通過(guò) P 的 mcache 來(lái)進(jìn)行的。mcache 包含了一系列固定大小的內(nèi)存塊，稱為“span”。每個(gè) span 專門(mén)用于一種大小的對(duì)象。當(dāng)一個(gè) goroutine 需要分配一個(gè)小對(duì)象時(shí)，就會(huì)查找對(duì)應(yīng)大小的 span，并從中分配一塊內(nèi)存。
大對(duì)象分配，大對(duì)象（一般大于 32KB）的分配不經(jīng)過(guò) mcache，而是直接從堆上分配。這是因?yàn)榇髮?duì)象的分配和回收比小對(duì)象更少，直接在堆上操作可以減少碎片和管理的復(fù)雜性。
內(nèi)存分配優(yōu)化，為了減少內(nèi)存分配的成本，Go 的內(nèi)存分配器會(huì)進(jìn)行一些優(yōu)化：
- 大小類(lèi)分配：為了減少內(nèi)存碎片和提高內(nèi)存重用，Go 將對(duì)象分為不同的大小類(lèi)。每個(gè)大小類(lèi)的對(duì)象都會(huì)分配到對(duì)應(yīng)的 span 中。
- 對(duì)象對(duì)齊：Go 保證對(duì)象在內(nèi)存中對(duì)齊，有助于提高 CPU 緩存的效率。
- 批量分配：當(dāng) mcache 中的 span 用完時(shí)，不是一次只獲取一個(gè)新的 span，而是批量地從 mcentral 獲取多個(gè) span，可以減少與 mcentral 的交互次數(shù)。

垃圾回收（GC）

Go 的垃圾回收器是一個(gè)并發(fā)的、標(biāo)記-清除（mark-sweep）垃圾回收器。垃圾回收分為幾個(gè)階段：

標(biāo)記階段：垃圾回收器會(huì)停止所有的 goroutine（STW - stop the world），快速掃描棧和全局變量，標(biāo)記所有可達(dá)的對(duì)象。
并發(fā)標(biāo)記：goroutine 被恢復(fù)執(zhí)行，同時(shí)垃圾回收器在后臺(tái)并發(fā)地完成標(biāo)記工作。
清除階段：清除未被標(biāo)記的對(duì)象，通常也是并發(fā)進(jìn)行的。

Go 的垃圾回收器設(shè)計(jì)為低延遲，會(huì)盡量減少對(duì)程序執(zhí)行的干擾。

內(nèi)存逃逸

在 Go 中，編譯器會(huì)盡量在棧上分配內(nèi)存，因?yàn)闂Ｉ系膬?nèi)存分配和回收非?？臁Ｈ欢?，并不是所有的內(nèi)存分配都可以在棧上完成。當(dāng)編譯器無(wú)法保證對(duì)象的生命周期僅限于其定義的作用域時(shí)，會(huì)將這些對(duì)象分配到堆上，這個(gè)過(guò)程稱為“內(nèi)存逃逸”。

內(nèi)存分配的影響因素

內(nèi)存分配的性能可能受到多種因素的影響，包括以下幾個(gè)方面：

內(nèi)存分配頻率：頻繁的內(nèi)存分配和回收會(huì)增加垃圾回收器的工作量，從而影響性能。
對(duì)象大?。捍髮?duì)象的分配通常比小對(duì)象慢，因?yàn)椴唤?jīng)過(guò) mcache。
對(duì)象生命周期：長(zhǎng)生命周期的對(duì)象可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存占用增加，因?yàn)椴粫?huì)被頻繁回收。

內(nèi)存分配的最佳實(shí)踐

為了優(yōu)化內(nèi)存分配，可以從以下幾個(gè)方面著手：

重用對(duì)象：通過(guò)重用對(duì)象來(lái)減少分配次數(shù)。
池化資源：使用 sync.Pool 來(lái)池化可重用的對(duì)象。
避免內(nèi)存逃逸：通過(guò)減少指針的使用和閉包捕獲來(lái)避免不必要的內(nèi)存逃逸。
合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)減少內(nèi)存的占用和碎片。

小結(jié)

Go 的內(nèi)存分配器是為并發(fā)和多線程設(shè)計(jì)的，通過(guò)一系列優(yōu)化來(lái)提供高效的內(nèi)存分配。內(nèi)存分配的性能不僅取決于分配器本身，還取決于程序的設(shè)計(jì)和編碼方式。在日常開(kāi)發(fā)中，可以使用工具（如 pprof）來(lái)分析和優(yōu)化程序的內(nèi)存使用情況。通過(guò)實(shí)踐和分析，更深入地理解和掌握 Go 的內(nèi)存管理機(jī)制。

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