基于Golang的逃逸分析(Language Mechanics On Escape Analysis)

何为逃逸分析

在编译程序优化理论中,逃逸分析是一种确定指针动态范围的方法——分析在程序的哪些地方可以访问到指针。它涉及到指针分析和形状分析。

当一个变量(或对象)在子程序中被分配时,一个指向变量的指针可能逃逸到其它执行线程中,或是返回到调用者子程序。如果使用尾递归优化(通常在函数编程语言中是需要的),对象也可以看作逃逸到被调用的子程序中。如果一种语言支持第一类型的延续性在Scheme和Standard ML of New Jersey中同样如此),部分调用栈也可能发生逃逸。

如果一个子程序分配一个对象并返回一个该对象的指针,该对象可能在程序中被访问到的地方无法确定——这样指针就成功“逃逸”了。如果指针存储在全局变量或者其它数据结构中,因为全局变量是可以在当前子程序之外访问的,此时指针也发生了逃逸。

逃逸分析确定某个指针可以存储的所有地方,以及确定能否保证指针的生命周期只在当前进程或线程中。

前序(Prelude)

本系列文章总共四篇,主要帮助大家理解 Go 语言中一些语法结构和其背后的设计原则,包括指针、栈、堆、逃逸分析和值/指针传递。这是第二篇,主要介绍堆和逃逸分析。

以下是本系列文章的索引:

  1. Go 语言机制之栈与指针
  2. Go 语言机制之逃逸分析
  3. Go 语言机制之内存剖析
  4. Go 语言机制之数据和语法的设计哲学

介绍(Introduction)

在四部分系列的第一部分,我用一个将值共享给 goroutine 栈的例子介绍了指针结构的基础。而我没有说的是值存在栈之上的情况。为了理解这个,你需要学习值存储的另外一个位置:堆。有这个基础,就可以开始学习逃逸分析。

逃逸分析是编译器用来决定你的程序中值的位置的过程。特别地,编译器执行静态代码分析,以确定一个构造体的实例化值是否会逃逸到堆。在 Go 语言中,你没有可用的关键字或者函数,能够直接让编译器做这个决定。只能够通过你写代码的方式来作出这个决定。

堆(Heaps)

堆是内存的第二区域,除了栈之外,用来存储值的地方。堆无法像栈一样能自清理,所以使用这部分内存会造成很大的开销(相比于使用栈)。重要的是,开销跟 GC(垃圾收集),即被牵扯进来保证这部分区域干净的程序,有很大的关系。当垃圾收集程序运行时,它会占用你的可用 CPU 容量的 25%。更有甚者,它会造成微秒级的 “stop the world” 的延时。拥有 GC 的好处是你可以不再关注堆内存的管理,这部分很复杂,是历史上容易出错的地方。

在 Go 中,会将一部分值分配到堆上。这些分配给 GC 带来了压力,因为堆上没有被指针索引的值都需要被删除。越多需要被检查和删除的值,会给每次运行 GC 时带来越多的工作。所以,分配算法不断地工作,以平衡堆的大小和它运行的速度。

共享栈(Sharing Stacks)

在 Go 语言中,不允许 goroutine 中的指针指向另外一个 goroutine 的栈。这是因为当栈增长或者收缩时,goroutine 中的栈内存会被一块新的内存替换。如果运行时需要追踪指针指向其他的 goroutine 的栈,就会造成非常多需要管理的内存,以至于更新指向那些栈的指针将使 “stop the world” 问题更严重。

这里有一个栈被替换好几次的例子。看输出的第 2 和第 6 行。你会看到 main 函数中的栈的字符串地址值改变了两次。https://play.golang.org/p/pxn5u4EBSI

逃逸机制(Escape Mechanics)

任何时候,一个值被分享到函数栈帧范围之外,它都会在堆上被重新分配。这是逃逸分析算法发现这些情况和管控这一层的工作。(内存的)完整性在于确保对任何值的访问始终是准确、一致和高效的。

通过查看这个语言机制了解逃逸分析。https://play.golang.org/p/Y_VZxYteKO

清单 1

package main

type user struct {
    name  string
    email string
}

func main() {
    u1 := createUserV1()
    u2 := createUserV2()

    println("u1", &u1, "u2", &u2)
}

//go:noinline
func createUserV1() user {
    u := user{
        name:  "Bill",
        email: "bill@ardanlabs.com",
    }

    println("V1", &u)
    return u
}

//go:noinline
func createUserV2() *user {
    u := user{
        name:  "Bill",
        email: "bill@ardanlabs.com",
    }

    println("V2", &u)
    return &u
}

我使用 go:noinline 指令,阻止在 main 函数中,编译器使用内联代码替代函数调用。内联(优化)会使函数调用消失,并使例子复杂化。我将在下一篇博文介绍内联造成的副作用。

在表 1 中,你可以看到创建 user 值,并返回给调用者的两个不同的函数。在函数版本 1 中,返回值。

清单 2

16 func createUserV1() user {
17     u := user{
18         name:  "Bill",
19         email: "bill@ardanlabs.com",
20     }
21
22     println("V1", &u)
23     return u
24 }

我说这个函数返回的是值是因为这个被函数创建的 user 值被拷贝并传递到调用栈上。这意味着调用函数接收到的是这个值的拷贝。

你可以看下第 17 行到 20 行 user 值被构造的过程。然后在第 23 行,user 值的副本被传递到调用栈并返回给调用者。函数返回后,栈看起来如下所示。

图 1

你可以看到图 1 中,当调用完 createUserV1 ,一个 user 值同时存在(两个函数的)栈帧中。在函数版本 2 中,返回指针。

清单 3

27 func createUserV2() *user {
28     u := user{
29         name:  "Bill",
30         email: "bill@ardanlabs.com",
31     }
32
33     println("V2", &u)
34     return &u
35 }

我说这个函数返回的是指针是因为这个被函数创建的 user 值通过调用栈被共享了。这意味着调用函数接收到一个值的地址拷贝。

你可以看到在第 28 行到 31 行使用相同的字段值来构造 user 值,但在第 34 行返回时却是不同的。不是将 user 值的副本传递到调用栈,而是将 user 值的地址传递到调用栈。基于此,你也许会认为栈在调用之后是这个样子。

图 2

如果看到的图 2 真的发生的话,你将遇到一个问题。指针指向了栈下的无效地址空间。当 main 函数调用下一个函数,指向的内存将重新映射并将被重新初始化。

这就是逃逸分析将开始保持完整性的地方。在这种情况下,编译器将检查到,在 createUserV2 的(函数)栈中构造 user 值是不安全的,因此,替代地,会在堆中构造(相应的)值。这(个分析并处理的过程)将在第 28 行构造时立即发生。

可读性(Readability)

在上一篇博文中,我们知道一个函数只能直接访问它的(函数栈)空间,或者通过(函数栈空间内的)指针,通过跳转访问(函数栈空间外的)外部内存。这意味着访问逃逸到堆上的值也需要通过指针跳转。

记住 createUserV2 的代码的样子:

清单 4

27 func createUserV2() *user {
28     u := user{
29         name:  "Bill",
30         email: "bill@ardanlabs.com",
31     }
32
33     println("V2", &u)
34     return &u
35 }

语法隐藏了代码中真正发生的事情。第 28 行声明的变量 u 代表一个 user 类型的值。Go 代码中的类型构造不会告诉你值在内存中的位置。所以直到第 34 行返回类型时,你才知道值需要逃逸(处理)。这意味着,虽然 u 代表类型 user 的一个值,但对该值的访问必须通过指针进行。

你可以在函数调用之后,看到堆栈就像(图 3)这样。

图 3

在 createUserV2 函数栈中,变量 u 代表的值存在于堆中,而不是栈。这意味着用 u 访问值时,使用指针访问而不是直接访问。你可能想,为什么不让 u 成为指针,毕竟访问它代表的值需要使用指针?

清单 5

27 func createUserV2() *user {
28     u := &user{
29         name:  "Bill",
30         email: "bill@ardanlabs.com",
31     }
32
33     println("V2", u)
34     return u
35 }

如果你这样做,将使你的代码缺乏重要的可读性。(让我们)离开整个函数一秒,只关注 return

清单 6

34     return u
35 }

这个 return 告诉你什么了呢?它说明了返回 u 值的副本给调用栈。然而,当你使用 & 操作符,return 又告诉你什么了呢?

清单 7

34     return &u
35 }

多亏了 & 操作符,return 告诉你 u 被分享给调用者,因此,已经逃逸到堆中。记住,当你读代码的时候,指针是为了共享,& 操作符对应单词 "sharing"。这在提高可读性的时候非常有用,这(也)是你不想失去的部分。

清单 8

01 var u *user
02 err := json.Unmarshal([]byte(r), &u)
03 return u, err

为了让其可以工作,你一定要通过共享指针变量(的方式)给(函数) json.Unmarshaljson.Unmarshal 调用时会创建 user 值并将其地址赋值给指针变量。https://play.golang.org/p/koI8EjpeIx

代码解释:

01:创建一个类型为 user,值为空的指针。
02:跟函数 json.Unmarshal 函数共享指针。
03:返回 u 的副本给调用者。

这里并不是很好理解,user值被 json.Unmarshal 函数创建,并被共享给调用者。

如何在构造过程中使用语法语义来改变可读性?

清单 9

01 var u user
02 err := json.Unmarshal([]byte(r), &u)
03 return &u, err

代码解释:

01:创建一个类型为 user,值为空的变量。
02:跟函数 json.Unmarshal 函数共享 u
03:跟调用者共享 u

这里非常好理解。第 02 行共享 user 值到调用栈中的 json.Unmarshal,在第 03 行 user 值共享给调用者。这个共享过程将会导致 user 值逃逸。

在构建一个值时,使用值语义,并利用 & 操作符的可读性来明确值是如何被共享的。

编译器报告(Compiler Reporting)

想查看编译器(关于逃逸分析)的决定,你可以让编译器提供一份报告。你只需要在调用 go build 的时候,打开 -gcflags 开关,并带上 -m 选项。

实际上总共可以使用 4 个 -m,(但)超过 2 个级别的信息就已经太多了。我将使用 2 个 -m 的级别。

清单 10

$ go build -gcflags "-m -m"
./main.go:16: cannot inline createUserV1: marked go:noinline
./main.go:27: cannot inline createUserV2: marked go:noinline
./main.go:8: cannot inline main: non-leaf function
./main.go:22: createUserV1 &u does not escape
./main.go:34: &u escapes to heap
./main.go:34: from ~r0 (return) at ./main.go:34
./main.go:31: moved to heap: u
./main.go:33: createUserV2 &u does not escape
./main.go:12: main &u1 does not escape
./main.go:12: main &u2 does not escape

你可以看到编译器报告是否需要逃逸处理的决定。编译器都说了什么呢?请再看一下引用的 createUserV1 和 createUserV2 函数。

清单 13

16 func createUserV1() user {
17     u := user{
18         name:  "Bill",
19         email: "bill@ardanlabs.com",
20     }
21
22     println("V1", &u)
23     return u
24 }

27 func createUserV2() *user {
28     u := user{
29         name:  "Bill",
30         email: "bill@ardanlabs.com",
31     }
32
33     println("V2", &u)
34     return &u
35 }

从报告中的这一行开始。

清单 14

./main.go:22: createUserV1 &u does not escape

这是说在函数 createUserV1 调用 println 不会造成 user 值逃逸到堆。这是必须检查的,因为它将会跟函数 println 共享(u)。

接下来看报告中的这几行。

清单 15

./main.go:34: &u escapes to heap
./main.go:34: from ~r0 (return) at ./main.go:34
./main.go:31: moved to heap: u
./main.go:33: createUserV2 &u does not escape

这几行是说,类型为 user,并在第 31 行被赋值的 u 的值,因为第 34 行的 return 逃逸。最后一行是说,跟之前一样,在 33 行调用 println 不会造成 user 值逃逸。

阅读这些报告可能让人感到困惑,(编译器)会根据所讨论的变量的类型是基于值类型还是指针类型而略有变化。

将 u 改为指针类型的 *user,而不是之前的命名类型 user

清单 16

27 func createUserV2() *user {
28     u := &user{
29         name:  "Bill",
30         email: "bill@ardanlabs.com",
31     }
32
33     println("V2", u)
34     return u
35 }

再次生成报告。

清单 17

./main.go:30: &user literal escapes to heap
./main.go:30: from u (assigned) at ./main.go:28
./main.go:30: from ~r0 (return) at ./main.go:34

现在报告说在 28 行赋值的指针类型 *useru 引用的 user 值,因为 34 行的 return 逃逸。

结论

值在构建时并不能决定它将存在于哪里。只有当一个值被共享,编译器才能决定如何处理这个值。当你在调用时,共享了栈上的一个值时,它就会逃逸。在下一篇中你将探索一个值逃逸的其他原因。

这些文章试图引导你选择给定类型的值或指针的指导原则。每种方式都有(对应的)好处和(额外的)开销。保持在栈上的值,减少了 GC 的压力。但是需要存储,跟踪和维护不同的副本。将值放在堆上的指针,会增加 GC 的压力。然而,也有它的好处,只有一个值需要存储,跟踪和维护。(其实,)最关键的是如何保持正确地、一致地以及均衡(开销)地使用。

 

参考: https://studygolang.com/articles/12444

posted @ 2019-09-10 14:29 sunsky303 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏
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