靈魂拷問 Go 語言：這個變量到底分配到哪里了？
本文轉載自微信公眾號「腦子進煎魚了」，作者陳煎魚。轉載本文請聯(lián)系腦子進煎魚了公眾號。
大家好，我是正在學習蒸魚的煎魚。
我們在寫代碼的時候，有時候會想這個變量到底分配到哪里了?這時候可能會有人說，在棧上，在堆上。信我準沒錯...
但從結果上來講你還是一知半解，這可不行，萬一被人懵了呢。今天我們一起來深挖下 Go 在這塊的奧妙，自己動手豐衣足食!
問題
- type User struct {
- ID int64
- Name string
- Avatar string
- }
- func GetUserInfo() *User {
- return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
- }
- func main() {
- _ = GetUserInfo()
- }
開局就是一把問號，帶著問題進行學習。請問 main 調用 GetUserInfo 后返回的&User{...}。這個變量是分配到棧上了呢，還是分配到堆上了?
什么是堆/棧
在這里并不打算詳細介紹堆棧，僅簡單介紹本文所需的基礎知識。如下：
- 堆(Heap)：一般來講是人為手動進行管理，手動申請、分配、釋放。一般所涉及的內存大小并不定，一般會存放較大的對象。另外其分配相對慢，涉及到的指令動作也相對多。
- 棧(Stack)：由編譯器進行管理，自動申請、分配、釋放。一般不會太大，我們常見的函數(shù)參數(shù)(不同平臺允許存放的數(shù)量不同)，局部變量等等都會存放在棧上。
今天我們介紹的 Go 語言，它的堆棧分配是通過 Compiler 進行分析，GC 去管理的，而對其的分析選擇動作就是今天探討的重點。
什么是逃逸分析
在編譯程序優(yōu)化理論中，逃逸分析是一種確定指針動態(tài)范圍的方法，簡單來說就是分析在程序的哪些地方可以訪問到該指針。
通俗地講，逃逸分析就是確定一個變量要放堆上還是棧上，規(guī)則如下：
是否有在其他地方(非局部)被引用。只要有可能被引用了，那么它一定分配到堆上。否則分配到棧上。
即使沒有被外部引用，但對象過大，無法存放在棧區(qū)上。依然有可能分配到堆上。
對此你可以理解為，逃逸分析是編譯器用于決定變量分配到堆上還是棧上的一種行為。
在什么階段確立逃逸
在編譯階段確立逃逸，注意并不是在運行時。
為什么需要逃逸
這個問題我們可以反過來想，如果變量都分配到堆上了會出現(xiàn)什么事情?例如：
- 垃圾回收(GC)的壓力不斷增大。
- 申請、分配、回收內存的系統(tǒng)開銷增大(相對于棧)。
- 動態(tài)分配產生一定量的內存碎片。
簡單來說，就是頻繁申請并分配堆內存是有一定 “代價” 的。會影響應用程序運行的效率，間接影響到整體系統(tǒng)。
因此 “按需分配” 最大限度的靈活利用資源，才是正確的治理之道。這就是為什么需要逃逸分析的原因，你覺得呢?
怎么確定是否逃逸
第一，通過編譯器命令，就可以看到詳細的逃逸分析過程。而指令集 -gcflags 用于將標識參數(shù)傳遞給 Go 編譯器，涉及如下：
- -m 會打印出逃逸分析的優(yōu)化策略，實際上最多總共可以用 4 個 -m，但是信息量較大，一般用 1 個就可以了。
- -l 會禁用函數(shù)內聯(lián)，在這里禁用掉 inline 能更好的觀察逃逸情況，減少干擾。
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
第二，通過反編譯命令查看
- $ go tool compile -S main.go
注：可以通過 go tool compile -help 查看所有允許傳遞給編譯器的標識參數(shù)。
逃逸案例
案例一：指針
第一個案例是一開始拋出的問題，現(xiàn)在你再看看，想想，如下：
- type User struct {
- ID int64
- Name string
- Avatar string
- }
- func GetUserInfo() *User {
- return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
- }
- func main() {
- _ = GetUserInfo()
- }
執(zhí)行命令觀察一下，如下：
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:10:54: &User literal escapes to heap
通過查看分析結果，可得知 &User 逃到了堆里，也就是分配到堆上了。這是不是有問題啊...再看看匯編代碼確定一下，如下：
- $ go tool compile -S main.go
- "".GetUserInfo STEXT size=190 args=0x8 locals=0x18
- 0x0000 00000 (main.go:9) TEXT "".GetUserInfo(SB), $24-8
- ...
- 0x0028 00040 (main.go:10) MOVQ AX, (SP)
- 0x002c 00044 (main.go:10) CALL runtime.newobject(SB)
- 0x0031 00049 (main.go:10) PCDATA $2, $1
- 0x0031 00049 (main.go:10) MOVQ 8(SP), AX
- 0x0036 00054 (main.go:10) MOVQ $13746731, (AX)
- 0x003d 00061 (main.go:10) MOVQ $7, 16(AX)
- 0x0045 00069 (main.go:10) PCDATA $2, $-2
- 0x0045 00069 (main.go:10) PCDATA $0, $-2
- 0x0045 00069 (main.go:10) CMPL runtime.writeBarrier(SB), $0
- 0x004c 00076 (main.go:10) JNE 156
- 0x004e 00078 (main.go:10) LEAQ go.string."EDDYCJY"(SB), CX
- ...
我們將目光集中到 CALL 指令，發(fā)現(xiàn)其執(zhí)行了 runtime.newobject 方法，也就是確實是分配到了堆上。這是為什么呢?
分析結果
這是因為 GetUserInfo() 返回的是指針對象，引用被返回到了方法之外了。因此編譯器會把該對象分配到堆上，而不是棧上。
否則方法結束之后，局部變量就被回收了，豈不是翻車。所以最終分配到堆上是理所當然的
再想想
那你可能會想，那就是所有指針對象，都應該在堆上?并不。如下：
- func main() {
- str := new(string)
- *str = "EDDYCJY"
- }
你想想這個對象會分配到哪里?如下：
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:4:12: main new(string) does not escape
顯然，該對象分配到棧上了。很核心的一點就是它有沒有被作用域之外所引用，而這里作用域仍然保留在 main 中，因此它沒有發(fā)生逃逸。
案例二：未確定類型
- func main() {
- str := new(string)
- *str = "EDDYCJY"
- fmt.Println(str)
- }
執(zhí)行命令觀察一下，如下：
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:9:13: str escapes to heap
- ./main.go:6:12: new(string) escapes to heap
- ./main.go:9:13: main ... argument does not escape
通過查看分析結果，可得知 str 變量逃到了堆上，也就是該對象在堆上分配。但上個案例時它還在棧上，我們也就 fmt 輸出了它而已。這...到底發(fā)生了什么事?
分析結果
相對案例一，案例二只加了一行代碼 fmt.Println(str)，問題肯定出在它身上。其原型：
- func Println(a ...interface{}) (n int, err error)
通過對其分析，可得知當形參為 interface 類型時，在編譯階段編譯器無法確定其具體的類型。因此會產生逃逸，最終分配到堆上。
如果你有興趣追源碼的話，可以看下內部的 reflect.TypeOf(arg).Kind() 語句，其會造成堆逃逸，而表象就是 interface 類型會導致該對象分配到堆上。
案例三、泄露參數(shù)
- type User struct {
- ID int64
- Name string
- Avatar string
- }
- func GetUserInfo(u *User) *User {
- return u
- }
- func main() {
- _ = GetUserInfo(&User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
- }
執(zhí)行命令觀察一下，如下：
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:9:18: leaking param: u to result ~r1 level=0
- ./main.go:14:63: main &User literal does not escape
我們注意到 leaking param 的表述，它說明了變量 u 是一個泄露參數(shù)。結合代碼可得知其傳給 GetUserInfo 方法后，沒有做任何引用之類的涉及變量的動作，直接就把這個變量返回出去了。
因此這個變量實際上并沒有逃逸，它的作用域還在 main() 之中，所以分配在棧上。
再想想
那你再想想怎么樣才能讓它分配到堆上?結合案例一，舉一反三。修改如下：
- type User struct {
- ID int64
- Name string
- Avatar string
- }
- func GetUserInfo(u User) *User {
- return &u
- }
- func main() {
- _ = GetUserInfo(User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
- }
執(zhí)行命令觀察一下，如下：
- $ go build -gcflags '-m -l' main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:10:9: &u escapes to heap
- ./main.go:9:18: moved to heap: u
只要一小改，它就考慮會被外部所引用，因此妥妥的分配到堆上了
總結
在本文我給你介紹了逃逸分析的概念和規(guī)則，并列舉了一些例子加深理解。但實際肯定遠遠不止這些案例，你需要做到的是掌握方法，遇到再看就好了。除此之外你還需要注意：
靜態(tài)分配到棧上，性能一定比動態(tài)分配到堆上好。
底層分配到堆，還是棧。實際上對你來說是透明的，不需要過度關心。
每個 Go 版本的逃逸分析都會有所不同(會改變，會優(yōu)化)。
直接通過 go build -gcflags '-m -l' 就可以看到逃逸分析的過程和結果。
到處都用指針傳遞并不一定是最好的，要用對。
這塊的知識點。我的建議是適當了解，但沒必要硬記，因為 Go 語言每次升級都有可能會改?？炕A知識點加命令調試觀察就好了。
像是曹大之前講的 “你琢磨半天逃逸分析，一壓測，瓶頸在鎖上”，完全沒必要過度在意...
參考
- Golang escape analysis
- FAQ
- 逃逸分析
