轻松理解Go中的内存逃逸问题

内存逃逸是什么

1. 在程序中，每个函数块都会有自己的内存区域用来存自己的局部变量（内存占用少）、返回地址、返回值之类的数据，这一块内存区域有特定的结构和寻址方式，寻址起来十分迅速，开销很少。这一块内存地址称为栈。
2. 栈是线程级别的，大小在创建的时候已经确定，当变量太大的时候，会"逃逸"到堆上，这种现象称为内存逃逸。
3. 简单来说，局部变量通过堆分配和回收，就叫内存逃逸。

内存逃逸危害

1. 堆是一块没有特定结构，也没有固定大小的内存区域，可以根据需要进行调整。
2. 全局变量，内存占用较大的局部变量，函数调用结束后不能立刻回收的局部变量都会存在堆里面。
3. 变量在堆上的分配和回收都比在栈上开销大的多。
4. 对于 go 这种带 GC 的语言来说，会增加 gc 压力，同时也容易造成内存碎片。

内存逃逸现象

1. 向 channel 发送指针数据。因为在编译时，不知道channel中的数据会被哪个 goroutine 接收，因此编译器没法知道变量什么时候才会被释放，因此只能放入堆中。
2. 局部变量在函数调用结束后还被其他地方使用，比如函数返回局部变量指针或闭包中引用包外的值。因为变量的生命周期可能会超过函数周期，因此只能放入堆中。
3. 在 slice 或 map 中存储指针。比如 []*string，其后面的数组可能是在栈上分配的，但其引用的值还是在堆上。
4. 切片扩容后长度太大，导致栈空间不足，逃逸到堆上。
5. 在 interface 类型上调用方法。 在 interface 类型上调用方法时会把interface变量使用堆分配， 因为方法的真正实现只能在运行时知道。

逃逸分析原则

1. 编译阶段无法确定的参数，会逃逸到堆上；
2. 变量在函数外部存在引用，会逃逸到堆上；不存在引用，则会继续在栈上；
3. 变量占用内存较大时，会逃逸到堆上；

内存逃逸解决

1. 对于小型的数据，使用传值而不是传指针，避免内存逃逸。
2. 避免使用长度不固定的slice切片，在编译期无法确定切片长度，只能将切片使用堆分配。
3. interface调用方法会发生内存逃逸，在热点代码片段，谨慎使用。 避免内存逃逸需要遵循如下两个原则：
4. 指向栈对象上的指针不能被存储到堆中。
5. 指向栈对象上的指针不能超过该栈对象的声明周期。

具体案例

参数为interface类型会逃逸

下面通过举例，来进一步论证逃逸分析的原则，加深一下理解

我们可以使用这个命令go build -gcflags '-m -m -l' go文件名，来查看逃逸分析的结果。

func main() {
  num := 1
  fmt.Println(num)
}

原因分析：

func Println(a ...interface{}) (n int, err error)，这个函数的入参是interface类型，编译阶段无法确定其具体的参数类型，所以内存分配到堆上

变量在函数外部有引用会逃逸

func main() {
  _ = test()
}

func test() *int {
  num := 10
  return &num
}

原因分析：

变量num在函数外部存在引用，函数退出时栈中的内存（栈帧）已经释放，但引用已经被返回，如果通过引用地址取值，在栈中是取不到值的，所以Go为了避免这个情况，会将内存分配到堆上。

变量占用内存较大时会逃逸

func main() {
  //不会逃逸
  s1 := make([]int, 10, 10)
  for i := 0; i < 10; i++ {
    s1[i] = i
  }

  //会逃逸
  s2 := make([]int, 10000, 10000)
  for i := 0; i < 10000; i++ {
    s2[i] = i
  }
}

原因分析：

切片容量过大时，会产生逃逸，内存分配到堆上；容量小时，不会逃逸，内存分配依赖在栈上。

变量大小不确定时会逃逸

func main() {
  num := 10
  s := make([]int, num, num) 
  for i := 0; i < num; i++ {
    s[i] = i
  }
}

原因分析：

切片的长度和容量，虽然通过声明的变量num来指定了，但在编译阶段是未知的，并不确定num的具体值，所以会逃逸，将内存分配到堆上。