面试官：小松子来聊一聊内存逃逸

缺乏、安全感 2022-09-02 11:47 136阅读 0赞

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## 前言 ##

> 哈喽，大家好，我是`asong`。最近无聊看了一下`Go`语言的面试八股文，发现面试官都喜欢问内存逃逸这个话题，这个激起了我的兴趣，我对内存逃逸的了解很浅，所以找了很多文章精读了一下，在这里做一个总结，方便日后查阅、学习。

## 什么是内存逃逸 ##

初次看到这个话题，我是懵逼的，怎么还有内存逃逸，内存逃逸到底是干什么的？接下来我们一起来看看什么是内存逃逸。

我们都知道一般情况下程序存放在`rom`或者`Flash`中，运行时需要拷贝到内存中执行，内存会分别存储不同的信息，内存空间包含两个最重要的区域：堆区(Heap)和栈区(Stack)，对于我这种`C`语言出身的人，对堆内存和栈内存的了解还是挺深的。在`C`语言中，栈区域会专门存放函数的参数、局部变量等，栈的地址从内存高地址往低地址增长，而堆内存正好相反，堆地址从内存低地址往高地址增长，但是如果我们想在堆区域分配内存需要我们手动调用`malloc`函数去堆区域申请内存分配，然后我使用完了还需要自己手动释放，如果没有释放就会导致内存泄漏。写过`C`语言的朋友应该都知道`C`语言函数是不能返回局部变量地址(特指存放于栈区的局部变量地址)，除非是局部静态变量地址，字符串常量地址、动态分配地址。其原因是一般局部变量的作用域只在函数内，其存储位置在栈区中，当程序调用完函数后，局部变量会随此函数一起被释放。其地址指向的内容不明（原先的数值可能不变，也可能改变）。而局部静态变量地址和字符串常量地址存放在数据区，动态分配地址存放在堆区，函数运行结束后只会释放栈区的内容，而不会改变数据区和堆区。

所以在`C`语言中我们想在一个函数中返回局部变量地址时，有三个正确的方式：返回静态局部变量地址、返回字符串常量地址，返回动态分配在堆上的地址，因为他们都不在栈区，即使释放函数，其内容也不会受影响，我们以在返回堆上内存地址为例看一段代码：

#include "stdio.h"
    #include "stdlib.h"
    //返回动态分配的地址 
    int* f1()
    {
        int a = 9;
        int *pa = (int*) malloc(8);
        *pa = a;
        return pa;
    }
    
    int main()
    {
        int *pb;
        pb = f1();
        printf("after : *pb = %d\tpb = %p\n",*pb, pb);
        free(pb);
        return 1;
    }

通过上面的例子我们知道在`C`语言中动态内存的分配与释放完全交与程序员的手中，这样就会导致我们在写程序时如履薄冰，好处是我们可以完全掌控内存，缺点是我们一不小心就会导致内存泄漏，所以很多现代语言都有`GC`机制，`Go`就是一门带垃圾回收的语言，真正解放了我们程序员的双手，我们不需要在像写`C`语言那样考虑是否能返回局部变量地址了，内存管理交与给编译器，编译器会经过逃逸分析把变量合理的分配到"正确"的地方。

说到这里，可以简单总结一下什么是内存逃逸了：

> 在一段程序中，每一个函数都会有自己的内存区域存放自己的局部变量、返回地址等，这些内存会由编译器在栈中进行分配，每一个函数都会分配一个栈桢，在函数运行结束后进行销毁，但是有些变量我们想在函数运行结束后仍然使用它，那么就需要把这个变量在堆上分配，这种从"栈"上逃逸到"堆"上的现象就成为内存逃逸。

## 什么是逃逸分析 ##

上面我们知道了什么是内存逃逸，下面我们就来看一看什么是逃逸分析？

上文我们说到`C`语言使用`malloc`在堆上动态分配内存后，还需要手动调用`free`释放内存，如果不释放就会造成内存泄漏的风险。在`Go`语言中堆内存的分配与释放完全不需要我们去管了，`Go`语言引入了`GC`机制，`GC`机制会对位于堆上的对象进行自动管理，当某个对象不可达时(即没有其对象引用它时)，他将会被回收并被重用。虽然引入`GC`可以让开发人员降低对内存管理的心智负担，但是`GC`也会给程序带来性能损耗，当堆内存中有大量待扫描的堆内存对象时，将会给`GC`带来过大的压力，虽然`Go`语言使用的是标记清除算法，并且在此基础上使用了三色标记法和写屏障技术，提高了效率，但是如果我们的程序仍在堆上分配了大量内存，依赖会对`GC`造成不可忽视的压力。因此为了减少`GC`造成的压力，`Go`语言引入了逃逸分析，也就是想法设法尽量减少在堆上的内存分配，可以在栈中分配的变量尽量留在栈中。

小结逃逸分析：

> 逃逸分析就是指程序在编译阶段根据代码中的数据流，对代码中哪些变量需要在栈中分配，哪些变量需要在堆上分配进行静态分析的方法。堆和栈相比，堆适合不可预知大小的内存分配。但是为此付出的代价是分配速度较慢，而且会形成内存碎片。栈内存分配则会非常快。栈分配内存只需要两个CPU指令：“PUSH”和“RELEASE”，分配和释放；而堆分配内存首先需要去找到一块大小合适的内存块，之后要通过垃圾回收才能释放。所以逃逸分析更做到更好内存分配，提高程序的运行速度。

## `Go`语言中的逃逸分析 ##

`Go`语言的逃逸分析总共实现了两个版本：

*  1.13版本前是第一版
 *  1.13版本后是第二版

粗略看了一下逃逸分析的代码，大概有`1500+`行（go1.15.7）。代码我倒是没仔细看，注释我倒是仔细看了一遍，注释写的还是很详细的，代码路径：src/cmd/compile/internal/gc/escape.go，大家可以自己看一遍注释，其逃逸分析原理如下：

*  `pointers to stack objects cannot be stored in the heap`：指向栈对象的指针不能存储在堆中
 *  `pointers to a stack object cannot outlive that object`：指向栈对象的指针不能超过该对象的存活期，也就说指针不能在栈对象被销毁后依旧存活。（例子：声明的函数返回并销毁了对象的栈帧，或者它在循环迭代中被重复用于逻辑上不同的变量）

我们大概知道它的分析准则是什么就好了，具体逃逸分析是怎么做的，感兴趣的同学可以根据源码自行研究。

既然逃逸分析是在编译阶段进行的，那我们就可以通过`go build -gcflags '-m -m -l'`命令查看到逃逸分析的结果，我们之前在分析内联优化时使用的`-gcflags '-m -m'`，能看到所有的编译器优化，这里使用`-l`禁用掉内联优化，只关注逃逸优化就好了。

现在我们也知道了逃逸分析，接下来我们就看几个逃逸分析的例子。

## 几个逃逸分析的例子 ##

### 1. 函数返回局部指针变量 ###

先看例子：

func Add(x,y int) *int {
     res := 0
     res = x + y
     return &res
    }
    
    func main()  {
     Add(1,2)
    }

查看逃逸分析结果：

go build -gcflags="-m -m -l" ./test1.go
    # command-line-arguments
    ./test1.go:6:9: &res escapes to heap
    ./test1.go:6:9:         from ~r2 (return) at ./test1.go:6:2
    ./test1.go:4:2: moved to heap: res

分析结果很明了，函数返回的局部变量是一个指针变量，当函数`Add`执行结束后，对应的栈桢就会被销毁，但是引用已经返回到函数之外，如果我们在外部解引用地址，就会导致程序访问非法内存，就像上面的`C`语言的例子一样，所以编译器经过逃逸分析后将其在堆上分配内存。

### 2. interface类型逃逸 ###

先看一个例子：

func main()  {
     str := "asong太帅了吧"
     fmt.Printf("%v",str)
    }

查看逃逸分析结果：

go build -gcflags="-m -m -l" ./test2.go 
    # command-line-arguments
    ./test2.go:9:13: str escapes to heap
    ./test2.go:9:13:        from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:13
    ./test2.go:9:13:        from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:13
    ./test2.go:9:13:        from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:13
    ./test2.go:9:13: main ... argument does not escape

`str`是`main`函数中的一个局部变量，传递给`fmt.Println()`函数后发生了逃逸，这是因为`fmt.Println()`函数的入参是一个`interface{}`类型，如果函数参数为`interface{}`，那么在编译期间就很难确定其参数的具体类型，也会发送逃逸。

观察这个分析结果，我们可以看到没有`moved to heap: str`，这也就是说明`str`变量并没有在堆上进行分配，只是它存储的值逃逸到堆上了，也就说任何被`str`引用的对象必须分配在堆上。如果我们把代码改成这样：

func main()  {
     str := "asong太帅了吧"
     fmt.Printf("%p",&str)
    }

查看逃逸分析结果：

go build -gcflags="-m -m -l" ./test2.go
    # command-line-arguments
    ./test2.go:9:18: &str escapes to heap
    ./test2.go:9:18:        from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:9:18:        from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:9:18:        from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:9:18: &str escapes to heap
    ./test2.go:9:18:        from &str (interface-converted) at ./test2.go:9:18
    ./test2.go:9:18:        from ... argument (arg to ...) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:9:18:        from *(... argument) (indirection) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:9:18:        from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test2.go:9:12
    ./test2.go:8:2: moved to heap: str
    ./test2.go:9:12: main ... argument does not escape

这回`str`也逃逸到了堆上，在堆上进行内存分配，这是因为我们访问`str`的地址，因为入参是`interface`类型，所以变量`str`的地址以实参的形式传入`fmt.Printf`后被装箱到一个`interface{}`形参变量中，装箱的形参变量的值要在堆上分配，但是还要存储一个栈上的地址，也就是`str`的地址，堆上的对象不能存储一个栈上的地址，所以`str`也逃逸到堆上，在堆上分配内存。（**这里注意一个知识点：Go语言的参数传递只有值传递**）

### 3. 闭包产生的逃逸 ###

func Increase() func() int {
     n := 0
     return func() int {
      n++
      return n
     }
    }
    
    func main() {
     in := Increase()
     fmt.Println(in()) // 1
    }

查看逃逸分析结果：

go build -gcflags="-m -m -l" ./test3.go
    # command-line-arguments
    ./test3.go:10:3: Increase.func1 capturing by ref: n (addr=true assign=true width=8)
    ./test3.go:9:9: func literal escapes to heap
    ./test3.go:9:9:         from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
    ./test3.go:9:9: func literal escapes to heap
    ./test3.go:9:9:         from &(func literal) (address-of) at ./test3.go:9:9
    ./test3.go:9:9:         from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
    ./test3.go:10:3: &n escapes to heap
    ./test3.go:10:3:        from func literal (captured by a closure) at ./test3.go:9:9
    ./test3.go:10:3:        from &(func literal) (address-of) at ./test3.go:9:9
    ./test3.go:10:3:        from ~r0 (assigned) at ./test3.go:7:17
    ./test3.go:8:2: moved to heap: n
    ./test3.go:17:16: in() escapes to heap
    ./test3.go:17:16:       from ... argument (arg to ...) at ./test3.go:17:13
    ./test3.go:17:16:       from *(... argument) (indirection) at ./test3.go:17:13
    ./test3.go:17:16:       from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at ./test3.go:17:13
    ./test3.go:17:13: main ... argument does not escape

因为函数也是一个指针类型，所以匿名函数当作返回值时也发生了逃逸，在匿名函数中使用外部变量`n`，这个变量`n`会一直存在直到`in`被销毁，所以`n`变量逃逸到了堆上。

### 4. 变量大小不确定及栈空间不足引发逃逸 ###

我们先使用`ulimit -a`查看操作系统的栈空间：

ulimit -a
    -t: cpu time (seconds)              unlimited
    -f: file size (blocks)              unlimited
    -d: data seg size (kbytes)          unlimited
    -s: stack size (kbytes)             8192
    -c: core file size (blocks)         0
    -v: address space (kbytes)          unlimited
    -l: locked-in-memory size (kbytes)  unlimited
    -u: processes                       2784
    -n: file descriptors                256

我的电脑的栈空间大小是`8192`，所以根据这个我们写一个测试用例：

package main
    
    import (
     "math/rand"
    )
    
    func LessThan8192()  {
     nums := make([]int, 100) // = 64KB
     for i := 0; i < len(nums); i++ {
      nums[i] = rand.Int()
     }
    }
    
    
    func MoreThan8192(){
     nums := make([]int, 1000000) // = 64KB
     for i := 0; i < len(nums); i++ {
      nums[i] = rand.Int()
     }
    }
    
    
    func NonConstant() {
     number := 10
     s := make([]int, number)
     for i := 0; i < len(s); i++ {
      s[i] = i
     }
    }
    
    func main() {
     NonConstant()
     MoreThan8192()
     LessThan8192()
    }

查看逃逸分析结果：

go build -gcflags="-m -m -l" ./test4.go
    # command-line-arguments
    ./test4.go:8:14: LessThan8192 make([]int, 100) does not escape
    ./test4.go:16:14: make([]int, 1000000) escapes to heap
    ./test4.go:16:14:       from make([]int, 1000000) (non-constant size) at ./test4.go:16:14
    ./test4.go:25:11: make([]int, number) escapes to heap
    ./test4.go:25:11:       from make([]int, number) (non-constant size) at ./test4.go:25:11

我们可以看到，当栈空间足够时，不会发生逃逸，但是当变量过大时，已经完全超过栈空间的大小时，将会发生逃逸到堆上分配内存。

同样当我们初始化切片时，没有直接指定大小，而是填入的变量，这种情况为了保证内存的安全，编译器也会触发逃逸，在堆上进行分配内存。

#### 参考文章（建议大家阅读一遍） ####

*  https://driverzhang.github.io/post/golang%E5%86%85%E5%AD%98%E5%88%86%E9%85%8D%E9%80%83%E9%80%B8%E5%88%86%E6%9E%90/
 *  https://segmentfault.com/a/1190000039843497
 *  https://tonybai.com/2021/05/24/understand-go-escape-analysis-by-example/
 *  https://cloud.tencent.com/developer/article/1732263
 *  https://geektutu.com/post/hpg-escape-analysis.html

## 总结 ##

本文到这里结束了，这篇文章我们一起分析了什么是内存逃逸以及`Go`语言中的逃逸分析，上面只列举了几个例子，因为发生的逃逸的情况是列举不全的，我们只需要了解什么是逃逸分析，了解逃逸的策略就可以了，后面在实战中可以根据具体代码具体分析，写出更优质的代码。

最后对逃逸做一个总结：

*  逃逸分析在编译阶段确定哪些变量可以分配在栈中，哪些变量分配在堆上
 *  逃逸分析减轻了`GC`压力，提高程序的运行速度
 *  栈上内存使用完毕不需要`GC`处理，堆上内存使用完毕会交给`GC`处理
 *  函数传参时对于需要修改原对象值，或占用内存比较大的结构体，选择传指针。对于只读的占用内存较小的结构体，直接传值能够获得更好的性能
 *  根据代码具体分析，尽量减少逃逸代码，减轻`GC`压力，提高性能

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