『每周译Go』Go 内存管理概述

随着程序的运行，对象被写入内存。在一些特定时刻当它们不再被需要时，它们应该被移除。这个过程被称为 内存管理 。本文旨在给出内存管理的概述，然后深入研究在 Go 中如何使用垃圾收集器实现内存管理。Go 的内存管理近些年已经发生了很大变化，未来很可能还会发生更多变化。如果您正在阅读这篇文章，并且您使用的是比 1.16 更高的 Go 版本，那么这里的一些信息可能已经过时了。

手动内存管理

在像 C 这样的编程语言中，程序员会调用 malloc 或 calloc 之类的函数来将对象写入内存。这些函数返回一个指针，指向该对象在堆内存中的位置。当这个对象不再被需要时，程序员调用 free 函数来再释放以便再次使用这块内存。这种内存管理的方法被称为 显式释放 。它非常的强大，使程序员能够更好地控制正在使用的内存，从而允许某些类型优化变得更加容易，特别是在小内存环境下。但是，它也会导致两种类型的编程错误。

第一种是提前调用 free ，这会创建一个 悬空指针 。悬空指针是指不再指向内存中有效对象的指针。那么这会非常糟糕，因为程序期望一个指针指向的是已定义的值，而当这个悬空指针稍后被访问时，并不能保证在内存中该位置存在什么值。可能什么都没有，或者完全是其他值。第二种错误，内存根本无法释放。如果程序员忘记释放一个对象，他们可能会面临 内存泄漏 风险，因为内存会被越来越多的对象填满。如果内存不足，这可能导致程序变慢或崩溃。所以当不得不显式地管理内存时，可能会在程序中引入不可预测的错误。

自动内存管理

这是像 Go 这样的语言提供了 自动的动态内存管理 ，或者更简单地说，垃圾收集 的原因。具有垃圾收集功能的语言提供了如下好处:

• 安全性的提高
• 更好的跨操作系统移植性
• 需要编写的代码更少
• 代码的运行时校验
• 数组的边界检查

确实垃圾收集会带来性能开销，但并不像通常认为的那样多。所以折衷的方案是，程序员专注于他们程序的业务逻辑，并确保它符合目标，而不用担心管理内存。

一个正在运行的程序将对象存储在内存中的两个位置， 堆 和 栈 。垃圾收集作用于堆上，而不是栈。栈是一个存储函数值的后进先出数据结构。从函数内部调用另一个函数，会将一个新的 栈帧 放到栈上，它包含被调用函数的值等。当函数调用返回时，它的栈桢将会从栈上弹出。当在调试一个崩溃的程序时，您可能会熟悉栈这一结构。大多数语言的编译器会返回一个调用栈来帮助跟踪调试，它会显示在这一点之前被调用的函数。

栈可以以一种后进先出的方式将值 “推” 到顶部，或者从顶部 “弹出” 。图片来源 Wikipedia.

与栈相反，堆中包含的是在函数外部被引用的值。例如，在程序开始时定义的静态常量，或更复杂的对象，如 Go 结构体。当程序员定义一个放置在堆上的对象时，将分配所需的内存大小，并返回指向该对象的指针。堆是一种图结构，对象代表着节点，这些节点被代码或者其他对象所引用。随着程序的运行，堆将随着对象的添加而继续增长，除非对堆做清理。

堆从根节点开始，随着更多的对象被添加而增长。

Go 中的垃圾收集

Go 更喜欢在栈上分配内存，所以大部分内存分配都会在这里结束。这也意味着 Go 中每个 goroutine 都有一个栈，如果可能的话，Go 将分配变量在这个栈上。Go 编译器通过执行 逃逸分析 来检查一个对象是否 ”逃逸” 出函数内部，从而尝试证明一个变量在函数之外不被需要。如果编译器可以确定一个变量的 生命周期，它将被分配在栈上。但是，如果变量的生存期不确定，它将会被分配到堆上。通常，如果一个 Go 程序有一个指向对象的指针，那么该对象就被存储在堆上。看看下面的示例代码：

type myStruct struct {
  value int
}
var testStruct = myStruct{value: 0}
func addTwoNumbers(a int, b int) int {
  return a + b
}
func myFunction() {
  testVar1 := 123
  testVar2 := 456
  testStruct.value = addTwoNumbers(testVar1, testVar2)
}
func someOtherFunction() {
  // some other code
  myFunction()
  // some more code
}

出于本例的目的，让我们假设这是一个正在运行的程序的一部分，因为如果这是整个程序，那么 Go 编译器会通过将变量分配到栈来优化它。当程序运行时：

1. testStruct 是被定义和放置在堆中的一个可用内存块
2. myFunction 函数被调用执行时将会分配一个栈。testVar1 和 testVar2 都被存储在这个栈上。
3. 调用 addTwoNumbers 时，一个新的栈帧被推到栈上，并带有函数的两个参数。
4. 当 addTwoNumbers 完成执行，它的结果返回给 myFunction 并且 addTwoNumbers 的栈帧从栈中弹出，因为它不再被需要。
5. 指向 testStruct 的指针被跟随到它堆上的位置，并且 value 字段被更新。
6. myFunction 退出，并清除为它创建的栈。testStruct 的值继续保持在堆上，直到垃圾收集发生。

testStruct 现在在堆上，也没有使用，Go 运行时也不知道是否仍然需要它。为此，Go 依赖于一个垃圾收集器。垃圾收集器有两个关键部分，一个 更改器 和一个 收集器。收集器执行垃圾收集逻辑并找到应该释放其内存的对象。更改器执行应用程序代码并将新对象分配给堆。它还在程序运行时更新堆上的现有对象，包括使不再需要的某些对象变为不可达。

由于更改器所做的更改，底部的对象已变为不可访问。它应该由垃圾收集器清理。

Go 垃圾收集器的实现

Go 的垃圾收集器是一个 非分代，并发，三色标记清除的垃圾收集器。让我们把这几项分解。

分代假设 是寿命短的对象（如临时变量）最常被回收。因此，分代垃圾收集器主要关注最近分配的对象。然而如前所述，编译器优化允许 Go 编译器将具有已知生命周期的对象分配在栈上。这意味着堆上的对象更少，因此垃圾收集的对象更少。这也意味着在 Go 中不需要分代垃圾收集器。因此，Go 使用了一个非分代的垃圾收集器。并发意味着收集器与更改器线程同时运行。因此，Go 使用的是一个非分代、并发的垃圾收集器。标记清除是垃圾收集器的工作类型，三色是用于实现这一功能的算法。

一个标记清除垃圾收集器有两个阶段，不出所料地命名为 标记 和 清除 。在标记阶段，收集器遍历堆并标记不再需要的对象。后续扫描阶段将删除这些对象。标记和清除是一种间接算法，因为它标记活动对象，并移除其他所有东西。

原图地址：https://github.com/gocn/translator/raw/master/static/images/w21_An_overview_of_memory_management_in_Go/figure4.gif

可视化的标记清除收集器过程，来源于这里。如果你感兴趣的话，还可以看到其他类型的垃圾收集器。

Go 用几个步骤实现了这一点：

Go 让所有的 goroutines 到达一个垃圾收集安全点，并使用一个名为 stop the world 的过程。这将暂时停止程序的运行，并打开一个 写屏障 以维护堆上的数据完整性。通过允许 goroutine 和收集器同时运行，从而实现了并发性。

一旦所有的 goroutine 都打开了写障碍，Go 运行 starts the world 并让工作线程开始执行垃圾收集工作。

标记是通过使用一个 三色算法 实现的。当标记开始时，除了根对象是灰色的，所有对象都是白色的。根是所有其他堆对象的来源，并作为运行程序的一部分实例化。垃圾收集器首先扫描栈、全局变量和堆指针，以了解什么对象正在使用。当扫描一个栈时，工作线程将停止 goroutine ，并通过从根向下遍历将所有发现的对象标记为灰色。然后继续执行 goroutine 。

然后，灰色的对象将入队变成黑色，这表明它们仍在使用中。一旦所有的灰色对象被标为黑色，收集器将会再一次 stop the world 并且清理所有不再被需要的白色节点对象。程序现在可以继续运行，直到它需要再次清理更多内存。

这张来自维基百科的图表让上述更容易理解。颜色有点混乱，但白色物体是浅灰色，灰色物体是黄色，黑色物体是蓝色。

一旦程序按照使用的内存比例分配了额外的内存，这个进程将再次启动。GOGC 环境变量决定了这一比例，默认值为 100 。Go 的源代码描述如下:

如果 GOGC=100 并且我们正在使用 4M 内存，我们将在到达 8M 时再次进行 GC（这个标记在 next_gc 变量中被跟踪)。这使 GC 成本与分配成本成线性比例。调整 GOGC 只是改变线性常数（还有额外内存的使用量）。

Go 的垃圾收集器通过将内存管理抽象到 Go 运行时来提高效率，这也是使 Go 具有如此优秀性能的原因之一。Go 内置的工具允许您优化程序中垃圾收集的触发行为，如果您感兴趣，可以对此进行研究。至此，我希望您了解到了更多关于垃圾收集的工作原理和在 Go 中如何实现垃圾收集的知识。

参考

• Garbage Collection in Go: Part 1

• Getting to Go: The Journey of Go’s Garbage Collector

• Go: How Does the Garbage Collector Mark the Memory?

• Golang: Cost of using the heap

• Golang FAQ

• Google Groups discussion, comment by Ian Lance Taylor

• Implementing memory management with Golang’s garbage collector

• Memory Management Reference

• Stack (abstract data type)

• The Garbage Collection Handbook

• Tracing garbage collection: Tri-color marking