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Golang | 每日一练 (6)

题目

什么是内存逃逸？内存逃逸对程序有什么样的影响？如何避免？

参考答案

什么是内存逃逸？

内存逃逸是指在函数内部创建的变量或对象，在函数结束后仍然被其他部分引用或持有，从而脱离了函数的作用域。在 golang 中，编译器会根据逃逸分析的结果，将变量分配到栈或堆上。如果变量的生命周期超出了函数的作用域，就会被分配到堆上，这种现象被称为内存逃逸。

例如：

package mainimport ("fmt"
)func createSlice() []int {var s []intfor i := 0; i < 10; i++ {s = append(s, i)}return s
}func main() {slice := createSlice()fmt.Println(slice)
}

在上述代码中，在 createSlice 函数的内部创建了一个局部变量 s，并在循环中向其中添加了元素。最后，函数返回了这个切片。在正常情况下，这个局部变量 s 会被分配到函数栈上，但是逃逸分析会检测到切片 s 的底层数组需要在函数外被访问，因此会将底层数组分配到堆上，而不是栈上。

下面通过 go build 命令可以更加直观的看出内存逃逸的表现。如下所示：

$ go build -gcflags="-m" test.go 
# command-line-arguments
./test.go:7:6: can inline createSlice
./test.go:16:22: inlining call to createSlice
./test.go:17:13: inlining call to fmt.Println
./test.go:17:13: ... argument does not escape
./test.go:17:14: slice escapes to heap

在以上的输出结果中，slice escapes to heap 这是关键信息，表明 createSlice 函数返回的切片 slice 被分配到了堆上。

内存逃逸对程序有什么样的影响？

内存逃逸对程序的影响主要体现在以下几个方面：

• 堆分配的持久性：当变量逃逸到堆上时，它们的生命周期不再受局部作用域的限制，而是由垃圾回收器管理。这意味着这些变量在使用完毕后不会立即释放，而是等待 gc 的回收。因此，程序的堆内存占用会增加。
• 内存碎片化：频繁的堆分配和释放可能导致内存碎片化，降低内存的利用率。尤其是在长时间运行的程序中，内存碎片化可能导致可用内存减少，影响程序的性能。
• 堆分配的开销：堆分配比栈分配更复杂且耗时。栈的分配和访问只需要通过移动栈顶指针即可；而堆分配需要动态管理内存，可能会涉及复杂的内存分配算法和同步机制。
• 垃圾回收的负担：堆上的内存需要由 gc 管理。当堆内存增加时，gc 的运行频率也会增加，这会导致程序的 STW 或额外的性能开销。频繁的 gc 可能会显著降低程序的响应速度和吞吐量。
• 引用计数问题：堆上的对象可能被多个引用持有，这使得生命周期管理变得复杂。例如，一个对象可能被意外地保留，导致内存泄漏。
• 悬挂指针风险：如果堆上的对象被释放，但仍有指针指向它，可能会导致悬空指针问题，进而引发程序崩溃或未定义行为。

悬空指针是指指针曾经指向一个有效的内存位置，但该内存已被释放或回收，导致指针变得无效。尽管指针仍然保存着原来的地址，但访问该地址会产生未定义行为，因为该地址可能已经被分配给其他对象或成为不可访问的区域。

总的来说，内存逃逸对程序的影响是多方面的，既有积极的一面，也有消极的一面。在实际开发中，合理管理内存逃逸是优化程序性能和稳定性的关键。以下是一些优化建议：

• 减少不必要的堆分配：尽量使用栈分配（如局部变量）或预分配内存，减少堆分配的频率。
• 优化数据结构：选择合适的数据结构，避免不必要的内存逃逸。
• 使用工具分析：利用 golang 的逃逸分析工具和性能分析工具，找出并优化不必要的内存逃逸。
• 合理使用堆分配：在需要动态内存或跨作用域共享时，合理使用堆分配，避免过度优化。

如何避免？

在之前的代码中，由于这个场景中切片的逃逸是不可避免的（因为需要返回切片），但可以通过以下方式减少不必要的堆分配：

package mainimport ("fmt"
)func createSlice() []int {// 预分配足够的容量，避免多次扩容s := make([]int, 10)for i := 0; i < 10; i++ {s[i] = i}return s
}func main() {slice := createSlice()fmt.Println(slice)
}

• 预分配容量：使用 make([]int, 10) 预分配切片的容量，避免在 append 过程中多次扩容。扩容会导致额外的堆分配和数据拷贝。这种优化可以减少堆分配的频率和大小，但无法完全避免切片的逃逸。
• 减少不必要的引用：如果切片的生命周期较短，可以考虑在函数内部直接操作切片，而不是返回它。但这取决于具体需求。

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