Go，由Google開發，以其處理記憶體管理和並行性的效率與簡單性而聞名。在這篇博客文章中，我們將探索Go如何管理記憶體，其垃圾收集器（GC）如何運作，以及Go強大並行模型背後的goroutines基本原理。

Go中的記憶體管理

有效的記憶體管理對於任何程式語言都至關重要，而Go通過有效的分配、動態堆疊管理和垃圾收集的組合來處理它。

記憶體分配

Go使用一個堆來進行動態記憶體分配。以下是記憶體分配的更詳細的介紹：

  • 小型對象（≤32KB）：這些使用一種名為大小類別的技術來分配。Go為不同大小的對象維護單獨的池，這有助於減少碎片化並加快分配速度。
  • 大型對象：對於大於32KB的對象，Go維護一個大型對象的空閒列表。這些對象的分配和釋放獨立處理以優化性能。

在Go中，你可以使用new和make函數來分配記憶體：

  • new：分配被清零的存儲區並返回一個指向它的指標。它用於整數和結構等值類型。
  • make：用於切片，映射和頻道。它初始化內部數據結構並返回一個可用實例。

堆疊管理

Go中的每個goroutine都有自己的堆疊，從小（例如，2KB）開始，並根據需要增長。這種動態大小讓Go能夠有效地處理許多goroutines，而不需要提前消耗太多記憶體。

當堆疊需要增長時，Go創建一個新的、更大的堆疊並將舊堆疊的內容複製到新堆疊。這個過程是無縫的，確保goroutines可以繼續有效運行，無需手動干預。

Go中的垃圾收集

垃圾收集是Go記憶體管理系統的關鍵組件。Go使用一個並行垃圾收集器，它通過與你的程式並行運作來最小化暫停時間。以下是其運作的分解：

標記和清除演算法

Go的GC使用一個標記和清除演算法，主要由兩個階段組成：

  1. 標記：GC從標記根集（全局變量，堆疊變量等）可達的所有對象開始。這個過程識別出所有活躍對象。
  2. 清除：標記後，GC掃過堆來回收未標記對象佔用的記憶體，有效地清理空閒記憶體。

三色標記和寫入屏障

為了有效地管理標記過程，Go採用三色標記。對象分為三種顏色：

  • 白色：可以收集的無法到達的對象。
  • 灰色：已找到但其參考尚未處理的對象。
  • 黑色：已完全處理並可達的對象。

寫入屏障用於處理GC過程中創建的新參考。它們確保對對象圖的任何更改都被正確跟踪，從而維護GC過程的完整性。

觸發垃圾收集器

Go中的GC通常根據記憶體使用和分配模式自動觸發。但是，也可以手動使用runtime.GC()來調用。自動觸發發生在以下情況：

  • 自上次收集以來分配了一定量的新記憶體。
  • 堆大小超過指定的閾值。
  • 運行時的啟發式法則確定需要平衡性能和記憶體使用。

Goroutines：輕量級並行性

Go的一個突出特性是其輕量級並行模型，基於goroutines建立。

創建Goroutines

Goroutines使用go關鍵字後跟一個功能呼叫來創建。例如：

go myFunction()

與傳統的作業系統緒相比，Goroutines的創建和管理成本更低，使得可以創建數以千計的並行任務，而不需要顯著的開銷。

執行和調度

Goroutines由Go的運行時調度器安排，該調度器使用M：N 調度。這表示多個goroutines（N）被復用到較少或等同數量的OS緒（M）上。調度器有效地管理了goroutine的執行，確保有效地使用系統資源。

通過頻道進行通信

Goroutines使用頻道進行通信和同步。頻道提供了一種方式來在goroutines之間發送和接收值，實現了安全有效的數據共享，無需明確的鎖或共享記憶體。

動態堆疊增長

如前所述，goroutines以小堆疊開始並根據需要增長。這種動態增長比固定大小的堆疊更有效地管理記憶體，使Go能夠處理大量的並行goroutines。

結論

Go的記憶體管理和並行模型是其性能和簡單性的關鍵因素。有效的記憶體分配，精緻的垃圾收集器和輕量級的goroutines的組合使Go成為構建可擴展和高性能應用程序的強大選擇。理解這些核心觀念將有助於你在你的項目中充分利用Go的潛力。