Go：内存管理介绍

程序运行时，会将对象写入内存。在某些情况下，当这些对象不再需要的时候，它们应该被移除。这个过程称为内存管理。本文旨在介绍内存管理，然后深入探讨如何通过使用垃圾收集器在Go中实现内存管理。多年来，Go的内存管理已经发生了很多变化，未来很可能还会发生更多变化。如果你正在阅读这篇文章，并且你使用的是1.16之后的Go版本，那么其中一些信息可能已经过时了。

人工管理内存

在C语言中，程序员会调用malloc或calloc函数来为对象分配内存。这些函数返回一个指针指向堆内存中的位置。当不再需要此对象时，程序员调用free函数清除，之后可再次使用此内存块。这种内存管理方法被称为显式回收，效率很高。它使程序员能够更好地控制正在使用的内存，从而实现内存管理优化，特别是在低内存环境中。然而，这种人工管理内存方式很容易造成两种编程错误：

• 如果过早地调用free释放内存会产生空指针。空指针是不再指向内存中的有效对象指针。当这个指针稍后被访问时，无法保证在内存中该位置存在什么值。可能什么都没有，或者是其他任何值。
• 如果程序员忘记释放内存，随着越来越多的对象填满内存，可能会面临内存泄漏。如果程序耗尽内存，会导致程序运行很慢或崩溃。所以显式管理内存方式，可能会引入不可预测的错误。

自动管理内存

这就是为什么像Go这样的语言提供自动、动态内存管理，或者更简单地说，垃圾收集。具有垃圾收集功能的语言提供了以下好处:
1、增加安全性
2、跨操作系统可移植
3、更少的代码
4、代码运行时校验
5、数组的边界检查
垃圾收集有性能开销，但并不像通常想象的那么严重。而且程序员可以专注于他们的业务逻辑，而不用担心内存管理。

程序运行时会将对象存储在两个内存位置：堆和栈。垃圾收集操作的是堆，而不是堆栈。堆栈是使用LIFO数据结构来存储函数值的。一个函数调用另一个函数时会将其数据帧推入堆栈，堆栈将包含该函数的值，以此类推。当被调用的函数返回时，它的栈帧从堆栈中弹出。你在调试程序时，会经常碰到报错打印出调用栈信息。大多数语言编译器都会返回一个堆栈跟踪来帮助调试，显示在报错之前调用了哪些函数。

相反，堆包含函数外部引用的值。例如，在程序开始时定义的静态常量，或者更复杂的对象，比如Go结构体。当程序员定义一个放在堆上的对象时，将分配所需的内存，并返回一个指向该对象的指针。堆是一个图结构，其中的对象表示为节点，这些节点在代码中被堆中的其他对象引用。当程序运行时，堆将随着对象的添加而继续增长，除非清理堆。

堆从根开始，并随着添加更多的对象而增长

Go垃圾回收

Go更喜欢在栈上分配内存，所以大多数内存分配都会在堆栈上完成。每个goroutine都有一个堆栈，并且在可能的情况下，Go会将变量分配到这个堆栈中。Go编译器试图通过执行逃逸分析来验证一个对象是否“逃逸”出函数，从而确认在函数之外不需要在使用这个变量。如果编译器可以确定一个变量的生命周期，那么它将被分配栈内存。但是，如果变量的生命周期不确定，那么它将被分配到堆上。通常，如果一个Go程序有一个指向对象的指针，那么该对象就会被存储在堆中。看看下面的示例代码:

type myStruct struct {
  value int
}
var testStruct = myStruct{value: 0}
func addTwoNumbers(a int, b int) int {
  return a + b
}
func myFunction() {
  testVar1 := 123
  testVar2 := 456
  testStruct.value = addTwoNumbers(testVar1, testVar2)
}
func someOtherFunction() {
  // some other code
  myFunction()
  // some more code
}

出于演示目的，我们假设这是一个正在运行程序的一部分，如果这是整个程序，Go编译器会通过将变量分配到堆栈中来优化它。当程序运行时:
1、定义testStruct结构体存放在堆内存块中。
2、执行myFunction，在函数执行时分配堆栈。testVar1和testVar2都存储在这个堆栈上。
3、当addtwonnumbers被调用时，带有两个函数参数的新堆栈帧被推送到堆栈上。
4、当addtwonnumbers完成执行时，它的结果返回给myFunction，并且addtwonnumbers的堆栈帧将弹出堆栈，因为它不再需要了。
5、指向testStruct的指针，其值存放在堆上，并更新值字段。
6、 myFunction执行结束，为它创建的堆栈被清理。testStruct的值一直在堆上，直到发生垃圾收集。

testStruct现在在堆上，Go运行时不知道是否仍然需要它。为此，Go依赖于垃圾收集器。垃圾收集器有两个关键部分:mutator和collector。collector执行垃圾收集逻辑并找到应该释放内存的对象。mutator执行应用程序代码并将新对象分配给堆。它还在程序运行时更新堆上的对象，这包括标记一些不再需要的对象。

mutator将最下面的对象标记为不可访问

Go垃圾收集器实现

Go的垃圾收集器是一个非分代并发、采用三色标记和清除。让我们解释下这些关键字。

分代：假设短期对象(如临时变量)回收更频繁。因此，分代垃圾收集器关注最近分配的对象。然而，正如前面提到的，Go编译器将已知生命周期的对象分配到堆栈。这意味着堆上的对象会更少，因此垃圾收集的对象也会更少。这意味着在Go中分代垃圾收集器并无优势。因此，Go使用非分代垃圾收集器。并发意味着收集器与mutator线程同时运行。因此，Go使用非分代、并发垃圾收集器。标记和清除是垃圾收集器的类型，三色标记是用来实现这一点的算法。

垃圾收集有两个阶段，即标记和清除。在标记阶段，收集器遍历堆并标记不再需要的对象。清楚阶段将删除这些对象。标记和清除是一种间接算法，因为标记正在使用对象，并删除其他不需要使用对象。

GO实现标记清除步骤：
Go让所有goroutine通过一个叫做stop the world的机制达到垃圾收集的安全点。这将暂时停止程序的运行，并打开写屏障以维护堆上的数据完整性。这允许goroutines和收集器同时运行，从而实现并发性。

一旦所有的goroutine都打开了写屏障，Go运行时就继续运行程序，并执行垃圾收集工作。

标记是用三色法实现的。当标记开始时，除了灰色的根对象外，所有对象都是白色的。根是所有其他堆对象的来源，并作为运行程序的一部分实例化。垃圾收集器通过扫描堆栈、全局变量和堆指针，标记正在使用的内容。当扫描一个堆栈时，停止goroutine，并通过从根向下遍历将所有找到的对象标记为灰色。然后，又恢复goroutine。这里说明下根对象是从程序开始运行的地方，一般为main函数里的初始对象。

灰色的对象最后标记成黑色，表明他们仍然在使用。一旦所有灰色对象都变成黑色，收集器将再次停止程序并清除所有不再需要的白色对象。程序现在可以继续运行，直到再次需要清理内存。

一旦程序按照所使用的内存比例分配了更多的内存，垃圾收集就会再次启动。' GOGC '环境变量决定了这一点，并且默认设置为100。Go的源代码是这样描述的:
如果GOGC=100并且内存使用4M，当达8M时，将再次GC(这个标记在next_gc变量中)。这使得GC与内存分配成线性比例。调整GOGC能改变下一次发生GC的内存使用比例。

Go的垃圾收集器通过将内存管理抽象到运行时中来提高效率，这是Go如此高性能的原因之一。Go内置了一些工具，允许您优化程序中垃圾收集的发生方式，如果您感兴趣，可以研究下这些工具。通过本文，希望您对垃圾收集的工作原理以及它在Go中是如何实现的有更多了解。