GO语言中的runtime功能概要

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简介: 【5月更文挑战第17天】本文简介Go语言的`runtime`库支撑着高效的并发和内存管理。此外,runtime还涉及定时器、错误处理(Panic和Recover)以及反射功能。通过内联展开和逃逸分析等手段,实现性能优化。

1 runtime机制

Go语言的runtime库提供了一系列底层功能,支持高效的并发执行和内存管理。其中Goroutines是轻量级线程,具有小栈和自动调整大小的特性,通过MPG调度模型在多个线程上运行。

内存管理涉及堆栈分配和逃逸分析,垃圾回收采用并发标记-清除算法,分代收集优化效率。Channels提供同步机制,Select进行多路复用。

以下是对Go语言runtime库中两个关键功能——Goroutines和GC垃圾回收机制的深入解析。

2. Goroutines

  • Goroutine简介

Goroutine是Go语言的一种轻量级线程,支持大规模并发执行。Goroutine的创建和调度开销远小于传统操作系统线程。

  • Goroutine的实现

初始栈大小:每个Goroutine的初始栈大小约为2KB,且会根据需要自动增长和收缩。

调度模型:Go采用MPG调度模型,即多个Goroutine映射到多个操作系统线程上。

调度器(Scheduler)结构:

G:代表一个Goroutine,包含Goroutine的栈和程序计数器等信息。
M:代表一个操作系统线程,用于执行Goroutine。
P:代表逻辑处理器,管理Goroutine队列。

调度器的主要任务是将G分配给M执行,P的数量可以通过GOMAXPROCS环境变量设置。

从图表上讲,我们可以将调度程序表示为:

        M
        |
        P -- G
        |    |
        G    G
             |
             G

在单核情况下,所有 Goroutine运行在同一个线程, M0中,每一个线程维护一个上下文 Content, P任何时刻,一个上下文只有一个 Goroutine,其他Goroutine在运行时 队列queue等待。

一个Goroutine 运行完成自己的时间片后,让出上下文,自己回到运行队列

当正在运行的GO阻塞时,可以IO,将再创建一个线程 M1,P转到新的线程中运行

        M0           M1             syscall
        |            |                MQ
        P  —— G      P - G             |
        |     |          |             Go
        Go    G          G
              |          |
              G          G

当M0 返回时,它会尝试从其他线程中 偷一个上下文,

如果没有获取到,将把 Goroutine 放到 Global 运行队列中。
然后把自己放入线程缓冲。

3 内存管理

  • 内存分配

堆和栈:Go程序中的变量可以分配在栈或堆上。栈上分配的变量在函数返回时自动释放,堆上分配的变量需要通过垃圾回收器回收。

逃逸分析:编译器在编译时进行逃逸分析,确定变量是否需要分配到堆上。逃逸到堆上的变量生命周期更长,但会增加GC负担。

4 垃圾回收(GC)

  • 并发标记-清除算法

三色标记法:对象分为白色(未访问)、灰色(已访问但未处理完)、黑色(已处理完)。

GC线程从根对象开始标记,将对象从白色变为灰色,再变为黑色。

写屏障(Write Barrier):在标记阶段,写屏障确保新创建或引用的对象被正确标记,以维持标记的准确性。

  • GC阶段

标记开始(Mark Start):暂停所有Goroutine,标记根对象。
并发标记(Concurrent Marking):并发标记对象,允许程序继续执行。
标记终止(Mark Termination):再次暂停所有Goroutine,完成标记过程。
清除阶段(Sweep):回收未标记的对象内存。

  • 分代收集
    分代思想:虽然Go主要采用并发标记-清除算法,但引入了分代思想,优先回收生命周期较短的对象,提高GC效率。

    Go根据对象大小 将对象分为3类

  • 微小对象 Tiny size <16B

    使用mcache的微小分配器分配大小小于 16个字节的对象,在单个16字节块上可以完成多个微小分配

  • 小对象 16B ~32KB

大小在16个字节和32k字节之间的对象被分配在G运行所在的P ncache对应 mspan size class

在微小型和小型 对象种秒如果mspan列表为空,分配器将从 mheap获取大量页面用于mspan

如果mheap为空或 没有足够大的页面满足分配请求,那么它将从操作系统分配一组新的页 至少 1MB

  • 大对象

大小 >32KB, 大于 32KB 的对象直接分配在 mheap的相应大小类上 size class

如果 mheap为空或 没有足够大的页面满足分配请求,则它将从操作系统分配一组新的页 至少 1MB

如果遇到内存不足的问题 out of memory,不当的内存管理也可能导致内存泄露

GC内存管理堆内存,简单说,它释放了孤儿对象 orphan object 使用的内存,所谓孤儿对象是指那些不再被栈 直接或间接引用的对象。

从GO1.12版本开始,Go使用非分代,并发的,基于三色标记和清理的垃圾回收器。

5. 并发原语

  • Channels

同步机制:Channels用于Goroutine之间的通信和同步,通过make函数创建。可以指定缓冲区大小,支持无缓冲和有缓冲两种模式。

操作:chan <- value发送数据,<- chan接收数据。支持select语句进行多路复用。

  • Select语句

多路复用:select语句允许在多个channel操作中进行选择,第一个准备好的操作会被执行,常用于处理多路通信。

6. 其他runtime功能

  • 定时器

time包:提供定时器功能,通过time.NewTimer和time.NewTicker创建定时器,定时器触发时向channel发送信号。

  • Panic和Recover

错误处理:panic用于引发异常,recover用于捕获异常,防止程序崩溃。
反射(Reflection)
反射机制:通过reflect包提供反射能力,允许在运行时检查和操作对象的类型和值。

7. 性能优化

  • runtime可以用于编译器优化

内联展开:编译器将小函数内联到调用处,减少函数调用开销。

逃逸分析:编译器分析变量的作用域,决定变量是分配在栈上还是堆上。

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