逃逸分析

引用：https://gocn.vip/article/1763

问题

type User struct {
    ID     int64
    Name   string
    Avatar string
}

func GetUserInfo() *User {
    return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
}

func main() {
    _ = GetUserInfo()
}

开局就是一把问号，带着问题进行学习。请问 main 调用 GetUserInfo 后返回的 &User{...}。这个变量是分配到栈上了呢，还是分配到堆上了？

什么是堆/栈

在这里并不打算详细介绍堆栈，仅简单介绍本文所需的基础知识。如下：

• 堆（Heap）：一般来讲是人为手动进行管理，手动申请、分配、释放。一般所涉及的内存大小并不定，一般会存放较大的对象。另外其分配相对慢，涉及到的指令动作也相对多
• 栈（Stack）：由编译器进行管理，自动申请、分配、释放。一般不会太大，我们常见的函数参数（不同平台允许存放的数量不同），局部变量等等都会存放在栈上

今天我们介绍的 Go 语言，它的堆栈分配是通过 Compiler 进行分析，GC 去管理的，而对其的分析选择动作就是今天探讨的重点

什么是逃逸分析

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，简单来说就是分析在程序的哪些地方可以访问到该指针

通俗地讲，逃逸分析就是确定一个变量要放堆上还是栈上，规则如下：

1. 是否有在其他地方（非局部）被引用。只要有可能被引用了，那么它一定分配到堆上。否则分配到栈上
2. 即使没有被外部引用，但对象过大，无法存放在栈区上。依然有可能分配到堆上

对此你可以理解为，逃逸分析是编译器用于决定变量分配到堆上还是栈上的一种行为

在什么阶段确立逃逸

在编译阶段确立逃逸，注意并不是在运行时

为什么需要逃逸

这个问题我们可以反过来想，如果变量都分配到堆上了会出现什么事情？例如：

• 垃圾回收（GC）的压力不断增大
• 申请、分配、回收内存的系统开销增大（相对于栈）
• 动态分配产生一定量的内存碎片

其实总的来说，就是频繁申请、分配堆内存是有一定 “代价” 的。会影响应用程序运行的效率，间接影响到整体系统。因此 “按需分配” 最大限度的灵活利用资源，才是正确的治理之道。这就是为什么需要逃逸分析的原因，你觉得呢？

怎么确定是否逃逸

第一，通过编译器命令，就可以看到详细的逃逸分析过程。而指令集 -gcflags 用于将标识参数传递给 Go 编译器，涉及如下：

• -m 会打印出逃逸分析的优化策略，实际上最多总共可以用 4 个 -m，但是信息量较大，一般用 1 个就可以了

• -l 会禁用函数内联，在这里禁用掉 inline 能更好的观察逃逸情况，减少干扰

$ go build -gcflags '-m -l' main.go

第二，通过反编译命令查看

$ go tool compile -S main.go

注：可以通过 go tool compile -help 查看所有允许传递给编译器的标识参数

逃逸案例

案例一：指针

第一个案例是一开始抛出的问题，现在你再看看，想想，如下：

type User struct {
    ID     int64
    Name   string
    Avatar string
}

func GetUserInfo() *User {
    return &User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"}
}

func main() {
    _ = GetUserInfo()
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:54: &User literal escapes to heap

通过查看分析结果，可得知 &User 逃到了堆里，也就是分配到堆上了。这是不是有问题啊...再看看汇编代码确定一下，如下：

$ go tool compile -S main.go                
"".GetUserInfo STEXT size=190 args=0x8 locals=0x18
    0x0000 00000 (main.go:9)    TEXT    "".GetUserInfo(SB), $24-8
    ...
    0x0028 00040 (main.go:10)   MOVQ    AX, (SP)
    0x002c 00044 (main.go:10)   CALL    runtime.newobject(SB)
    0x0031 00049 (main.go:10)   PCDATA  $2, $1
    0x0031 00049 (main.go:10)   MOVQ    8(SP), AX
    0x0036 00054 (main.go:10)   MOVQ    $13746731, (AX)
    0x003d 00061 (main.go:10)   MOVQ    $7, 16(AX)
    0x0045 00069 (main.go:10)   PCDATA  $2, $-2
    0x0045 00069 (main.go:10)   PCDATA  $0, $-2
    0x0045 00069 (main.go:10)   CMPL    runtime.writeBarrier(SB), $0
    0x004c 00076 (main.go:10)   JNE 156
    0x004e 00078 (main.go:10)   LEAQ    go.string."EDDYCJY"(SB), CX
    ...

我们将目光集中到 CALL 指令，发现其执行了 runtime.newobject 方法，也就是确实是分配到了堆上。这是为什么呢？

分析结果

这是因为 GetUserInfo() 返回的是指针对象，引用被返回到了方法之外了。因此编译器会把该对象分配到堆上，而不是栈上。否则方法结束之后，局部变量就被回收了，岂不是翻车。所以最终分配到堆上是理所当然的

再想想

那你可能会想，那就是所有指针对象，都应该在堆上？并不。如下：

func main() {
    str := new(string)
    *str = "EDDYCJY"
}

你想想这个对象会分配到哪里？如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:4:12: main new(string) does not escape

显然，该对象分配到栈上了。很核心的一点就是它有没有被作用域之外所引用，而这里作用域仍然保留在 main 中，因此它没有发生逃逸

案例二：未确定类型

func main() {
    str := new(string)
    *str = "EDDYCJY"

    fmt.Println(str)
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:13: str escapes to heap
./main.go:6:12: new(string) escapes to heap
./main.go:9:13: main ... argument does not escape

通过查看分析结果，可得知 str 变量逃到了堆上，也就是该对象在堆上分配。但上个案例时它还在栈上，我们也就 fmt 输出了它而已。这...到底发生了什么事？

分析结果

相对案例一，案例二只加了一行代码 fmt.Println(str)，问题肯定出在它身上。其原型：

func Println(a ...interface{}) (n int, err error)

通过对其分析，可得知当形参为 interface 类型时，在编译阶段编译器无法确定其具体的类型。因此会产生逃逸，最终分配到堆上

如果你有兴趣追源码的话，可以看下内部的 reflect.TypeOf(arg).Kind() 语句，其会造成堆逃逸，而表象就是 interface 类型会导致该对象分配到堆上

案例三、泄露参数

type User struct {
    ID     int64
    Name   string
    Avatar string
}

func GetUserInfo(u *User) *User {
    return u
}

func main() {
    _ = GetUserInfo(&User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:18: leaking param: u to result ~r1 level=0
./main.go:14:63: main &User literal does not escape

我们注意到 leaking param 的表述，它说明了变量 u 是一个泄露参数。结合代码可得知其传给 GetUserInfo 方法后，没有做任何引用之类的涉及变量的动作，直接就把这个变量返回出去了。因此这个变量实际上并没有逃逸，它的作用域还在 main() 之中，所以分配在栈上

再想想

那你再想想怎么样才能让它分配到堆上？结合案例一，举一反三。修改如下：

type User struct {
    ID     int64
    Name   string
    Avatar string
}

func GetUserInfo(u User) *User {
    return &u
}

func main() {
    _ = GetUserInfo(User{ID: 13746731, Name: "EDDYCJY", Avatar: "https://avatars0.githubusercontent.com/u/13746731"})
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:9: &u escapes to heap
./main.go:9:18: moved to heap: u

只要一小改，它就考虑会被外部所引用，因此妥妥的分配到堆上了

总结

• 静态分配到栈上，性能一定比动态分配到堆上好
• 底层分配到堆，还是栈。实际上对你来说是透明的，不需要过度关心
• 每个 Go 版本的逃逸分析都会有所不同（会改变，会优化）
• 直接通过 go build -gcflags '-m -l' 就可以看到逃逸分析的过程和结果
• 到处都用指针传递并不一定是最好的，要用对

参考

• Golang escape analysis
• FAQ
• 逃逸分析