Go 语言内存管理（三）：逃逸分析（空间逃逸运行）

该内容是在 Go1.6 版本的时候写的。Golang 经过了多个版本的迭代，逃逸分析机制也在不断的迭代优化，最新版本的效果与文章结论存在一些出入；所以该内容仅供参考。

介绍

Go 语言较之 C 语言一个很大的优势就是自带 GC 功能，可 GC 并不是没有代价的。写 C 语言的时候，在一个函数内声明的变量，在函数退出后会自动释放掉，因为这些变量分配在栈上。如果你期望变量的数据可以在函数退出后仍然能被访问，就需要调用 malloc 方法在堆上申请内存，如果程序不再需要这块内存了，再调用 free 方法释放掉。Go 语言不需要你主动调用 malloc 来分配堆空间，编译器会自动分析，找出需要 malloc 的变量，使用堆内存。编译器的这个分析过程就叫做逃逸分析。

所以你在一个函数中通过 dict := make(map[string]int) 创建一个 map 变量，其背后的数据是放在栈空间上还是堆空间上，是不一定的。这要看编译器分析的结果。

可逃逸分析并不是百分百准确的，它有缺陷。有的时候你会发现有些变量其实在栈空间上分配完全没问题的，但编译后程序还是把这些数据放在了堆上。如果你了解 Go 语言编译器逃逸分析的机制，在写代码的时候就可以有意识地绕开这些缺陷，使你的程序更高效。

关于堆栈

Go 语言虽然在内存管理方面降低了编程门槛，即使你不了解堆栈也能正常开发，但如果你要在性能上较真的话，还是要掌握这些基础知识。

这里不对堆内存和栈内存的区别做太多阐述。简单来说就是，栈分配廉价，堆分配昂贵。栈空间会随着一个函数的结束自动释放，堆空间需要时间 GC 模块不断地跟踪扫描回收。如果对这两个概念有些迷糊，建议阅读下面２个文章：

Language Mechanics On Stacks And Pointers
Language Mechanics On Escape Analysis

这里举一个小例子，来对比下堆栈的差别：

func stack() int { // 变量 i 会在栈上分配 i := 10 return i } func heap() *int { // 变量 j 会在堆上分配 j := 10 return &j }

stack 函数中的变量 i 在函数退出会自动释放；而 heap 函数返回的是对变量i的引用，也就是说 heap()退出后，表示变量 i 还要能被访问，它会自动被分配到堆空间上。

他们编译出来的代码如下：

// go build --gcflags // go tool objdump ./test TEXT main.stack(SB) /tmp/test.go test.go:7 0x487240 test.go:7 0x487249 TEXT main.heap(SB) /tmp/test.go test.go:9 0x487250 test.go:9 0x487259 test.go:9 0x48725d test.go:9 0x48725f test.go:9 0x487263 test.go:9 0x487268 test.go:10 0x48726d test.go:10 0x487274 test.go:10 0x487278 test.go:10 0x48727d test.go:10 0x487282 test.go:11 0x487289 test.go:11 0x48728e test.go:11 0x487293 test.go:11 0x487297 test.go:9 0x487298 test.go:9 0x48729d // ... TEXT runtime.newobject(SB) malloc.go:1067 0x40b070 malloc.go:1067 0x40b079 malloc.go:1067 0x40b07d malloc.go:1067 0x40b07f malloc.go:1067 0x40b083 malloc.go:1067 0x40b088 malloc.go:1068 0x40b08d malloc.go:1068 0x40b092 malloc.go:1068 0x40b095 malloc.go:1068 0x40b099 malloc.go:1068 0x40b09e malloc.go:1068 0x40b0a3 malloc.go:1068 0x40b0a8 malloc.go:1068 0x40b0ad malloc.go:1068 0x40b0b2 malloc.go:1068 0x40b0b7 malloc.go:1068 0x40b0bb malloc.go:1067 0x40b0bc malloc.go:1067 0x40b0c1

逻辑的复 '-l' test.go 48c74424080a000000 MOVQ $0xa, 0x8(SP) c3 RET 64488b0c25f8ffffff MOVQ FS:0xfffffff8, CX 483b6110 CMPQ 0x10(CX), SP 7639 JBE 0x487298 4883ec18 SUBQ $0x18, SP 48896c2410 MOVQ BP, 0x10(SP) 488d6c2410 LEAQ 0x10(SP), BP 488d05ac090100 LEAQ 0x109ac(IP), AX 48890424 MOVQ AX, 0(SP) e8f33df8ff CALL runtime.newobject(SB) 488b442408 MOVQ 0x8(SP), AX 48c7000a000000 MOVQ $0xa, 0(AX) 4889442420 MOVQ AX, 0x20(SP) 488b6c2410 MOVQ 0x10(SP), BP 4883c418 ADDQ $0x18, SP c3 RET e8a380fcff CALL runtime.morestack_noctxt(SB) ebb1 JMP main.heap(SB) /usr/share/go/src/runtime/malloc.go 64488b0c25f8ffffff MOVQ FS:0xfffffff8, CX 483b6110 CMPQ 0x10(CX), SP 763d JBE 0x40b0bc 4883ec28 SUBQ $0x28, SP 48896c2420 MOVQ BP, 0x20(SP) 488d6c2420 LEAQ 0x20(SP), BP 488b442430 MOVQ 0x30(SP), AX 488b08 MOVQ 0(AX), CX 48890c24 MOVQ CX, 0(SP) 4889442408 MOVQ AX, 0x8(SP) c644241001 MOVB $0x1, 0x10(SP) e888f4ffff CALL runtime.mallocgc(SB) 488b442418 MOVQ 0x18(SP), AX 4889442438 MOVQ AX, 0x38(SP) 488b6c2420 MOVQ 0x20(SP), BP 4883c428 ADDQ $0x28, SP c3 RET e87f420400 CALL runtime.morestack_noctxt(SB) ebad JMP runtime.newobject(SB) 杂度不言而喻，从上面的汇编中可看到， heap() 函数调用了 runtime.newobject() 方法，它会调用 mallocgc 方法从 mcache 上申请内存，申请的内部逻辑前面文章已经讲述过。堆内存分配不仅分配上逻辑比栈空间分配复杂，它最致命的是会带来很大的管理成本，Go 语言要消耗很多的计算资源对其进行标记回收（也就是 GC 成本）。

不要以为使用了堆内存就一定会导致性能低下，使用栈内存会带来性能优势。因为实际项目中，系统的性能瓶颈一般都不会出现在内存分配上。千万不要盲目优化，找到系统瓶颈，用数据驱动优化。

逃逸分析

Go 编辑器会自动帮我们找出需要进行动态分配的变量，它是在编译时追踪一个变量的生命周期，如果能确认一个数据只在函数空间内访问，不会被外部使用，则使用栈空间，否则就要使用堆空间。

我们在 go build 编译代码时，可使用 -gcflags '-m' 参数来查看逃逸分析日志。

go build -gcflags '-m -m' test.go

以上面的两个函数为例，编译的日志输出是：

/tmp/test.go:11:9: &i escapes to heap /tmp/test.go:11:9: from ~r0 (return) at /tmp/test.go:11:2 /tmp/test.go:10:2: moved to heap: i /tmp/test.go:16:18: heap() escapes to heap /tmp/test.go:16:18: from ... argument (arg to ...) at /tmp/test.go:16:13 /tmp/test.go:16:18: from *(... argument) (indirection) at /tmp/test.go:16:13 /tmp/test.go:16:18: from ... argument (passed to call[argument content escapes]) at /tmp/test.go:16:13 /tmp/test.go:16:13: main ... argument does not escape

日志中的 &i escapes to heap 表示该变量数据逃逸到了堆上。

逃逸分析的缺陷

需要使用堆空间，所以逃逸，这没什么可争议的。但编译器有时会将不需要使用堆空间的变量，也逃逸掉。这里是容易出现性能问题的大坑。网上有很多相关文章，列举了一些导致逃逸情况，其实总结起来就一句话：

多级间接赋值容易导致逃逸。

这里的多级间接指的是，对某个引用类对象中的引用类成员进行赋值。Go 语言中的引用类数据类型有 func, interface, slice, map, chan, *Type(指针)。

记住公式 Data.Field = Value，如果 Data, Field 都是引用类的数据类型，则会导致 Value 逃逸。这里的等号 = 不单单只赋值，也表示参数传递。

根据公式，我们假设一个变量 data 是以下几种类型，相应的可以得出结论：

[]interface{}： data[0] = 100 会导致 100 逃逸
map[string]interface{}： data["key"] = "value" 会导致 "value" 逃逸
map[interface{}]interface{}： data["key"] = "value" 会导致 key 和 value 都逃逸
map[string][]string： data["key"] = []string{"hello"} 会导致切片逃逸
map[string]*int：赋值时 *int 会逃逸
[]*int： data[0] = &i 会使 i 逃逸
func(*int)： data(&i) 会使 i 逃逸
func([]string)： data([]{"hello"}) 会使 []string{"hello"} 逃逸
chan []string： data <- []string{"hello"} 会使 []string{"hello"} 逃逸
以此类推，不一一列举了

下面给出一些实际的例子：

函数变量

如果变量值是一个函数，函数的参数又是引用类型，则传递给它的参数都会逃逸。

func test(i int) {} func testEscape(i *int) {} func main() { i, j, m, n := 0, 0, 0, 0 t, te := test, testEscape // 函数变量 // 直接调用 test(m) // 不逃逸 testEscape(&n) // 不逃逸 // 间接调用 t(i) // 不逃逸 te(&j) // 逃逸 }

./test.go:4:17: testEscape i does not escape ./test.go:11:5: &j escapes to heap ./test.go:11:5: from te(&j) (parameter to indirect call) at ./test.go:11:4 ./test.go:7:5: moved to heap: j ./test.go:14:13: main &n does not escape

上例中 te 的类型是 func(*int)，属于引用类型，参数 *int 也是引用类型，则调用 te(&j) 形成了为 te 的参数(成员) *int 赋值的现象，即 te.i = &j 会导致逃逸。代码中其他几种调用都没有形成多级间接赋值情况。
同理，如果函数的参数类型是 slice, map 或 interface{} 都会导致参数逃逸。

func testSlice(slice []int) {} func testMap(m map[int]int) {} func testInterface(i interface{}) {} func main() { x, y, z := make([]int, 1), make(map[int]int), 100 ts, tm, ti := testSlice, testMap, testInterface ts(x) // ts.slice = x 导致 x 逃逸 tm(y) // tm.m = y 导致 y 逃逸 ti(z) // ti.i = z 导致 z 逃逸 }

./test.go:3:16: testSlice slice does not escape ./test.go:4:14: testMap m does not escape ./test.go:5:20: testInterface i does not escape ./test.go:8:17: make([]int, 1) escapes to heap ./test.go:8:17: from x (assign-pair) at ./test.go:8:10 ./test.go:8:17: from ts(x) (parameter to indirect call) at ./test.go:10:4 ./test.go:8:33: make(map[int]int) escapes to heap ./test.go:8:33: from y (assign-pair) at ./test.go:8:10 ./test.go:8:33: from tm(y) (parameter to indirect call) at ./test.go:11:4 ./test.go:12:4: z escapes to heap ./test.go:12:4: from ti(z) (parameter to indirect call) at ./test.go:12:4

匿名函数的调用也是一样的，它本质上也是一个函数变量。有兴趣的可以自己测试一下。

间接赋值

type Data struct { data map[int]int slice []int ch chan int inf interface{} p *int } func main() { d1 := Data{} d1.data = make(map[int]int) // GOOD: does not escape d1.slice = make([]int, 4) // GOOD: does not escape d1.ch = make(chan int, 4) // GOOD: does not escape d1.inf = 3 // GOOD: does not escape d1.p = new(int) // GOOD: does not escape d2 := new(Data) // d2 是指针变量，下面为该指针变量中的指针成员赋值 d2.data = make(map[int]int) // BAD: escape to heap d2.slice = make([]int, 4) // BAD: escape to heap d2.ch = make(chan int, 4) // BAD: escape to heap d2.inf = 3 // BAD: escape to heap d2.p = new(int) // BAD: escape to heap }

./test.go:20:16: make(map[int]int) escapes to heap ./test.go:20:16: from d2.data (star-dot-equals) at ./test.go:20:10 ./test.go:21:17: make([]int, 4) escapes to heap ./test.go:21:17: from d2.slice (star-dot-equals) at ./test.go:21:11 ./test.go:22:14: make(chan int, 4) escapes to heap ./test.go:22:14: from d2.ch (star-dot-equals) at ./test.go:22:8 ./test.go:23:9: 3 escapes to heap ./test.go:23:9: from d2.inf (star-dot-equals) at ./test.go:23:9 ./test.go:24:12: new(int) escapes to heap ./test.go:24:12: from d2.p (star-dot-equals) at ./test.go:24:7 ./test.go:13:16: main make(map[int]int) does not escape ./test.go:14:17: main make([]int, 4) does not escape ./test.go:15:14: main make(chan int, 4) does not escape ./test.go:16:9: main 3 does not escape ./test.go:17:12: main new(int) does not escape ./test.go:19:11: main new(Data) does not escapeInterface

只要使用了 Interface 类型(不是 interafce{})，那么赋值给它的变量一定会逃逸。因为 interfaceVariable.Method() 先是间接的定位到它的实际值，再调用实际值的同名方法，执行时实际值作为参数传递给方法。相当于interfaceVariable.Method.this = realValue

type Iface interface { Dummy() } type Integer int func (i Integer) Dummy() {} func main() { var ( iface Iface i Integer ) iface = i iface.Dummy() // make i escape to heap // 形成 iface.Dummy.i = i }引用类型的 channel

向 channel 中发送数据，本质上就是为 channel 内部的成员赋值，就像给一个 slice 中的某一项赋值一样。所以 chan *Type, chan map[Type]Type, chan []Type, chan interface{} 类型都会导致发送到 channel 中的数据逃逸。

这本来也是情理之中的，发送给 channel 的数据是要与其他函数分享的，为了保证发送过去的指针依然可用，只能使用堆分配。

func test() { var ( chInteger = make(chan *int) chMap = make(chan map[int]int) chSlice = make(chan []int) chInterface = make(chan interface{}) a, b, c, d = 0, map[int]int{}, []int{}, 32 ) chInteger <- &a // 逃逸 chMap <- b // 逃逸 chSlice <- c // 逃逸 chInterface <- d // 逃逸 }

./escape.go:11:15: &a escapes to heap ./escape.go:11:15: from chInteger <- &a (send) at ./escape.go:11:12 ./escape.go:9:3: moved to heap: a ./escape.go:9:31: map[int]int literal escapes to heap ./escape.go:9:31: from b (assigned) at ./escape.go:9:3 ./escape.go:9:31: from chMap <- b (send) at ./escape.go:12:8 ./escape.go:9:40: []int literal escapes to heap ./escape.go:9:40: from c (assigned) at ./escape.go:9:3 ./escape.go:9:40: from chSlice <- c (send) at ./escape.go:13:10 ./escape.go:14:14: d escapes to heap ./escape.go:14:14: from chInterface <- (interface {})(d) (send) at ./escape.go:14:14 ./escape.go:5:21: test make(chan *int) does not escape ./escape.go:6:21: test make(chan map[int]int) does not escape ./escape.go:7:21: test make(chan []int) does not escape ./escape.go:8:21: test make(chan interface {}) does not escape可变参数

可变参数如 func(arg ...string) 实际与 func(arg []string) 是一样的，会增加一层访问路径。这也是 fmt.Sprintf 总是会使参数逃逸的原因。

例子非常多，这里不能一一列举，我们只需要记住分析方法就好，即，2 级或更多级的访问赋值会容易导致数据逃逸。这里加上容易二字是因为随着语言的发展，相信这些问题会被慢慢解决，但现阶段，这个可以作为我们分析逃逸现象的依据。

下面代码中包含 2 种很常规的写法，但他们却有着很大的性能差距，建议自己想下为什么。

type User struct { roles []string } func (u *User) SetRoles(roles []string) { u.roles = roles } func SetRoles(u User, roles []string) User { u.roles = roles return u }

Benchmark 和 pprof 给出的结果:

BenchmarkUserSetRoles-8 50000000 22.3 ns/op 16 B/op 1 allocs/op BenchmarkSetRoles-8 2000000000 0.51 ns/op 0 B/op 0 allocs/op 768.01MB 768.01MB (flat, cum) 100% of Total . . 3:import "testing" . . 4: . . 5:func BenchmarkUserSetRoles(b *testing.B) { . . 6: u := new(User) . . 7: for i := 0; i < b.N; i { 768.01MB 768.01MB 8: u.SetRoles([]string{"admin"}) <- 看这里 . . 9: } . . 10:} . . 11: . . 12:func BenchmarkSetRoles(b *testing.B) { . . 13: for i := 0; i < b.N; i { ROUTINE ======================== testing.(*B).launch in /usr/share/go/src/testing/benchmark.go ......结论

熟悉堆栈概念可以让我们更容易看透 Go 程序的性能问题，并进行优化。

多级间接赋值会导致 Go 编译器出现不必要的逃逸，在一些情况下可能我们只需要修改一下数据结构就会使性能有大幅提升。这也是很多人不推荐在 Go 中使用指针的原因，因为它会增加一级访问路径，而 map, slice, interface{}等类型是不可避免要用到的，为了减少不必要的逃逸，只能拿指针开刀了。

大多数情况下，性能优化都会为程序带来一定的复杂度。建议实际项目中还是怎么方便怎么写，功能完成后通过性能分析找到瓶颈所在，再对局部进行优化。

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