Golang 语言的内存管理

简介: Golang 语言的内存管理

01

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:

  1. 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;
  2. 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。
  3. 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。


02

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。

03

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
}


04

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。


05

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。





目录
相关文章
|
2月前
|
Go
Golang语言之管道channel快速入门篇
这篇文章是关于Go语言中管道(channel)的快速入门教程,涵盖了管道的基本使用、有缓冲和无缓冲管道的区别、管道的关闭、遍历、协程和管道的协同工作、单向通道的使用以及select多路复用的详细案例和解释。
110 4
Golang语言之管道channel快速入门篇
|
2月前
|
Go
Golang语言文件操作快速入门篇
这篇文章是关于Go语言文件操作快速入门的教程,涵盖了文件的读取、写入、复制操作以及使用标准库中的ioutil、bufio、os等包进行文件操作的详细案例。
66 4
Golang语言文件操作快速入门篇
|
2月前
|
Go
Golang语言之gRPC程序设计示例
这篇文章是关于Golang语言使用gRPC进行程序设计的详细教程,涵盖了RPC协议的介绍、gRPC环境的搭建、Protocol Buffers的使用、gRPC服务的编写和通信示例。
101 3
Golang语言之gRPC程序设计示例
|
2月前
|
安全 Go
Golang语言goroutine协程并发安全及锁机制
这篇文章是关于Go语言中多协程操作同一数据问题、互斥锁Mutex和读写互斥锁RWMutex的详细介绍及使用案例,涵盖了如何使用这些同步原语来解决并发访问共享资源时的数据安全问题。
86 4
|
2月前
|
Go
Golang语言错误处理机制
这篇文章是关于Golang语言错误处理机制的教程,介绍了使用defer结合recover捕获错误、基于errors.New自定义错误以及使用panic抛出自定义错误的方法。
46 3
|
16天前
|
Java 编译器 测试技术
go语言避免不必要的内存分配
【10月更文挑战第18天】
26 1
|
17天前
|
存储 算法 Java
Go语言的内存管理机制
【10月更文挑战第25天】Go语言的内存管理机制
21 2
|
2月前
|
Go 调度
Golang语言goroutine协程篇
这篇文章是关于Go语言goroutine协程的详细教程,涵盖了并发编程的常见术语、goroutine的创建和调度、使用sync.WaitGroup控制协程退出以及如何通过GOMAXPROCS设置程序并发时占用的CPU逻辑核心数。
50 4
Golang语言goroutine协程篇
|
2月前
|
Prometheus Cloud Native Go
Golang语言之Prometheus的日志模块使用案例
这篇文章是关于如何在Golang语言项目中使用Prometheus的日志模块的案例,包括源代码编写、编译和测试步骤。
51 3
Golang语言之Prometheus的日志模块使用案例
|
2月前
|
Go
Golang语言之函数(func)进阶篇
这篇文章是关于Golang语言中函数高级用法的教程,涵盖了初始化函数、匿名函数、闭包函数、高阶函数、defer关键字以及系统函数的使用和案例。
58 3
Golang语言之函数(func)进阶篇