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@ -0,0 +1,167 @@
[#]: subject: "A few bytes here, a few there, pretty soon youre talking real memory"
[#]: via: "https://dave.cheney.net/2021/01/05/a-few-bytes-here-a-few-there-pretty-soon-youre-talking-real-memory#easy-footnote-6-4231"
[#]: author: "Dave Cheney https://dave.cheney.net/"
[#]: collector: "lujun9972/lctt-scripts-1693450080"
[#]: translator: "Drwhooooo"
[#]: reviewer: "wxy"
[#]: publisher: "wxy"
[#]: url: "https://linux.cn/article-16381-1.html"
这儿几个字节,那里几个字节,我们说的是真正的内存
======
![][0]
今天的帖子来自于最近的 Go 语言的一次小测试,观察下面的测试基础片段 [^1]
```
func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
b.ReportAllocs()
for i := 0; i < b.N; i++ {
sort.Strings(s)
}
}
```
`sort.Strings``sort.StringSlice(s)` 的便捷包装器,`sort.Strings` 在原地对输入进行排序,因此不会分配内存(或至少 43% 回答此问题的 Twitter 用户是这么认为的)。然而,至少在 Go 的最近版本中,基准测试的每次迭代都会导致一次堆分配。为什么会是这种情况?
正如所有 Go 程序员应该知道的那样,接口是以 [双词结构][c] 实现的。每个接口值包含一个字段,其中保存接口内容的类型,以及指向接口内容的指针。[^2]
在 Go 语言伪代码中,一个接口可能是这样的:
```
type interface struct {
// the ordinal number for the type of the value
// assigned to the interface
type uintptr
// (usually) a pointer to the value assigned to
// the interface
data uintptr
}
```
`interface.data` 可以容纳一个机器字(在大多数情况下为 8 个字节),但一个 `[]string` 却需要 24 个字节一个字用于指向切片的底层数组一个字用于存储切片的长度另一个字用于存储底层数组的剩余容量。那么Go 是如何将 24 个字节装入个 8 个字节的呢?通过编程中最古老的技巧,即间接引用。一个 `[]string`,即 `s`,需要 24 个字节;但 `*[]string` —— 即指向字符串切片的指针,只需要 8 个字节。
### 逃逸到堆
为了让示例更加明确,以下是重新编写的基准测试,不使用 `sort.Strings` 辅助函数:
```
func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
b.ReportAllocs()
for i := 0; i < b.N; i++ {
var ss sort.StringSlice = s
var si sort.Interface = ss // allocation
sort.Sort(si)
}
}
```
为了让接口正常运行,编译器将赋值重写为 `var si sort.Interface = &ss`,即 `ss` 的地址分配给接口值。[^3] 我们现在有这么一种情况:出现一个持有指向 `ss` 的指针的接口值。它指向哪里?还有 `ss` 存储在哪个内存位置?
似乎 `ss` 被移动到了堆上,这也同时导致了基准测试报告中的分配:
```
Total: 296.01MB 296.01MB (flat, cum) 99.66%
8 . . func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
9 . . s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
10 . . b.ReportAllocs()
11 . . for i := 0; i < b.N; i++ {
12 . . var ss sort.StringSlice = s
13 296.01MB 296.01MB var si sort.Interface = ss // allocation
14 . . sort.Sort(si)
15 . . }
16 . . }
```
发生这种分配是因为编译器当前无法确认 `ss``si` 生存期更长。Go 编译器开发人员对此的普遍态度是,觉得 [这个问题改进的余地][d],不过我们另找时间再议。事实上,`ss` 就是被分配到了堆上。因此,问题变成了:每次迭代会分配多少个字节?为什么不去询问 `testing` 包呢?
```
% go test -bench=. sort_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-5650U CPU @ 2.20GHz
BenchmarkSortStrings-4 12591951 91.36 ns/op 24 B/op 1 allocs/op
PASS
ok command-line-arguments 1.260s
```
可以看到,在 amd 64 平台的 Go 1.16 beta1 版本上,每次操作会分配 24 字节。[^4] 然而,在同一平台先前的 Go 版本中,每次操作则消耗了 32 字节。
```
% go1.15 test -bench=. sort_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkSortStrings-4 11453016 96.4 ns/op 32 B/op 1 allocs/op
PASS
ok command-line-arguments 1.225s
```
这引出了本文的主题,即 Go 1.16 版本中即将推出的一项便利改进。不过在讨论这个内容之前,我需要聊聊 “<ruby>尺寸类别<rt>size class</rt></ruby>”。
### 尺寸类别
在解释什么是 “<ruby>尺寸类别<rt>size class</rt></ruby>” 之前,我们先考虑个问题,理论上的 Go 语言在运行时是如何在其堆上分配 24 字节的。有一个简单的方法:追踪目前为止已分配到的所有内存的动向——利用指向堆上最后分配的字节的指针。分配 24 字节,堆指针就会增加 24然后将前一个值返回给调用函数。只要写入的请求 24 字节的代码不超出该标记的范围,这种机制就没有额外开销。不过,现实情况下,内存分配器不仅要分配内存,有时还得释放内存。
最终Go 语言程序在运行时将释放这些 24 字节,但从运行的视角来看,它只知道它给调用者的开始地址。它不知道从该地址起始之后又分配了多少字节。为了允许释放内存,我们假设的 Go 语言程序运行时分配器必须记录堆上每个分配的长度值。那么这些长度值的分配存储在何处?当然是在堆上。
在我们的设想中,当程序运行需要分配内存的时候,它可以请求稍微多一点,并把它用来存储请求的数量。而对于我们的切片示例而言,当我们请求 24 字节时,实际上会消耗 24 字节加上存储数字 `24` 的一些开销。这些开销有多大?事实上,实际上的最小开销量是一个字。[^5]
用来记录 24 字节分配的开销将是 8 字节。25% 不是很大,但也不算糟糕,随着分配的大小增加,开销将变得微不足道。然而,如果我们只想在堆上存储一个字节,会发生什么?开销将是请求数据量的 8 倍!是否有一种更高效的方式在堆上分配少量内存?
与其在每个分配旁边存储长度,不如将相同大小的内容存储在一起,这个主意如何?如果所有的 24 字节的内容都存储在一起,那么运行时会自动获取它们的大小。运行时所需要的是一个单一的位,指示 24 字节区域是否在使用中。在 Go 语言中,这些区域被称为 Size Classes因为相同大小的所有内容都会存储在一起类似学校班级所有学生都按同一年级分班而不是 C++ 中的类)。当运行时需要分配少量内存时,它会使用能够容纳该分配的最小的尺寸类别。
### 无限制的尺寸类别
现在我们知道尺寸类别是如何工作的了,那么问题又来了,它们存储在哪里?和我们想的一样,尺寸类别的内存来自堆。为了最小化开销,运行时会从堆上分配较大的内存块(通常是系统页面大小的倍数),然后将该空间用于单个大小的分配。不过,这里存在一个问题————
将大块区域用于存储同一大小的事物的模式很好用 [^6],如果分配大小的数量是固定的,最好是少数几个。那么在通用语言中,程序可以要求运行时以任何大小分配内存[^7]。
例如,想象一下向运行时请求 9 字节。9 字节是一个不常见的大小,因此可能需要一个新的尺寸类别来存储 9 字节大小的物品。因为 9 字节大小的物品不常见,所以分配的其余部分(通常为 4KB 或更多)可能会被浪费。由于尺寸类别的集合是固定的,如果没有精确匹配的 size class 可用分配将并入到下一个尺寸类别。在我们的示例中9 字节可能会在 12 字节的尺寸类别中分配。未使用的 3 字节的开销要比几乎未使用的整个尺寸类别分配好。
### 总结一下
这是谜题的最后一块拼图。Go 1.15 版本没有 24 字节的尺寸类别,因此 `ss` 的堆分配是在 32 字节的尺寸类别中分配的。由于 Martin Möhrmann 的工作Go 1.16 版本有一个 24 字节的尺寸类别,非常适合分配给接口的切片值。
[^1]: 这不是正确的对排序函数进行基准测试的方式,因为在第一次迭代之后,输入已经排序。但这又是另外一个话题了。
[^2]: 此语句的准确性取决于所使用的 Go 版本。例如Go 1.15 版本添加了直接将一些 [整数存储在接口值][e] 中的功能,从而节省了分配和间接性。然而,对于大多数值来说,如果它不是指针类型,它的地址将被取出并存储在接口值中。
[^3]: 编译器在接口值的类型字段中跟踪了这种手法,因此它记住了分配给 `si` 的类型是 `sort.StringSlice` 而不是 `*sort.StringSlice`
[^4]: 在 32 位平台上,这个数字减半,[但我们不再关注它][f]。
[^5]: 如果你准备限制分配为 4G 或者可能是 64KB你可以使用较少内存来存储分配的尺寸但实际上使用小于一个字来存储长度标头的节省会受到填充的影响。
[^6]: 将相同大小的物品存储在一起也是一种有效的对抗碎片化的策略。
[^7]: 这并不是一个不切实际的设想,字符串有各种形状和大小,生成以前未见过的大小的字符串可能就像附加空格一样简单。
### 相关文章
1. [我在 Devfest 2017年西伯利亚大会谈 Go 语言][g]
2. [如果对齐的内存写操作是原子性的,为什么我们还需要 sync/atomic 包呢?][h]
3. [为你的树莓派创建一个真实的串行控制台][i]
4. [为什么 Go 语言线程的栈是无限制的?][j]
*题图MJ/01d5fe46-778f-48fe-9481-162f4d0289dc*
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via: https://dave.cheney.net/2021/01/05/a-few-bytes-here-a-few-there-pretty-soon-youre-talking-real-memory
作者:[Dave Cheney][a]
选题:[lujun9972][b]
译者:[Drwhooooo](https://github.com/Drwhooooo)
校对:[wxy](https://github.com/wxy)
本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译,[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
[a]: https://dave.cheney.net/
[b]: https://github.com/lujun9972
[c]: https://research.swtch.com/interfaces
[d]: https://github.com/golang/go/issues/23676
[e]: https://golang.org/doc/go1.15#runtime
[f]: https://www.tallengestore.com/products/i-never-look-back-darling-it-distracts-from-the-now-edna-mode-inspirational-quote-tallenge-motivational-poster-collection-large-art-prints
[g]: https://dave.cheney.net/2017/08/23/im-talking-about-go-at-devfest-siberia-2017
[h]: https://dave.cheney.net/2018/01/06/if-aligned-memory-writes-are-atomic-why-do-we-need-the-sync-atomic-package
[i]: https://dave.cheney.net/2014/01/05/a-real-serial-console-for-your-raspberry-pi
[j]: https://dave.cheney.net/2013/06/02/why-is-a-goroutines-stack-infinite
[0]: https://img.linux.net.cn/data/attachment/album/202311/15/154636bhoqwdrdxczdhzxg.png

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[#]: subject: "A few bytes here, a few there, pretty soon youre talking real memory"
[#]: via: "https://dave.cheney.net/2021/01/05/a-few-bytes-here-a-few-there-pretty-soon-youre-talking-real-memory#easy-footnote-6-4231"
[#]: author: "Dave Cheney https://dave.cheney.net/"
[#]: collector: "lujun9972/lctt-scripts-1693450080"
[#]: translator: "Drwhooooo"
[#]: reviewer: " "
[#]: publisher: " "
[#]: url: " "
A few bytes here, a few there, pretty soon youre talking real memory
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今天的帖子来自于最近的 Go语言的一次小测试观察下面的测试基础片段[1]
```
func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
b.ReportAllocs()
for i := 0; i < b.N; i++ {
sort.Strings(s)
}
}
```
`sort.Strings``sort.StringSlice(s)` 的便捷包装器,`sort.Strings` 在原地对输入进行排序,因此不会分配内存(或至少大多数回答者中的 43% 是这么认为的)。然而,至少在 Go 的最新版本中,基准测试的每次迭代都会导致一次堆分配。为什么会是这种情况?
正如所有 Go 程序员应该知道的那样,接口是以[双词结构][c]实现的。每个接口值包含一个字段,其中保存接口内容的类型,以及指向接口内容的指针。[2]
在 Go 语言伪代码中,一个接口可能是这样的:
```
type interface struct {
// the ordinal number for the type of the value
// assigned to the interface
type uintptr
// (usually) a pointer to the value assigned to
// the interface
data uintptr
}
```
`interface.data` 可以容纳一个机器字在大多数情况下为8个字节但一个 `[]string` 却需要 24 个字节一个字用于指向切片的底层数组一个字用于存储切片的长度另一个字用于存储底层数组的剩余容量。那么Go是如何将24字节装入个8字节的呢通过编程中最古老的技巧即间接引用。一个 `[]string`,即 `s`,需要 24 个字节;但 `*[]string` —— 即指向字符串切片的指针,只需要 8 个字节。
### 逃逸到堆
为了让示例更加明确,以下是重新编写的基准测试,不使用 `sort.Strings` 辅助函数:
```
func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
b.ReportAllocs()
for i := 0; i < b.N; i++ {
var ss sort.StringSlice = s
var si sort.Interface = ss // allocation
sort.Sort(si)
}
}
```
为了让接口正常运行,编译器将赋值重写为 `var si sort.Interface = &ss`,即 `ss` 的地址分配给接口值。[3]我们现在有这么一种情况:出现一个持有指向 `ss` 的指针的接口值。它指向哪里?还有`ss` 存储在哪个内存位置?
似乎 ss 被移动到了堆上,这也同时导致了基准测试报告中的分配:
```
Total: 296.01MB 296.01MB (flat, cum) 99.66%
8 . . func BenchmarkSortStrings(b *testing.B) {
9 . . s := []string{"heart", "lungs", "brain", "kidneys", "pancreas"}
10 . . b.ReportAllocs()
11 . . for i := 0; i < b.N; i++ {
12 . . var ss sort.StringSlice = s
13 296.01MB 296.01MB var si sort.Interface = ss // allocation
14 . . sort.Sort(si)
15 . . }
16 . . }
```
这种分配的发生是因为编译器当前无法确认 `ss` 存在于 `si` 之外。Go 编译器开发人员对此的普遍态度是,觉得[这个问题改进的余地][d],不过我们另找时间再议。事实上,`ss` 就是被分配到了堆上。因此,问题变成了:每次迭代会分配多少个字节?为什么不去询问 `testing` 包呢?
```
% go test -bench=. sort_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-5650U CPU @ 2.20GHz
BenchmarkSortStrings-4 12591951 91.36 ns/op 24 B/op 1 allocs/op
PASS
ok command-line-arguments 1.260s
```
可以看到,在 amd 64 平台的 Go 1.16 beta1 版本上,每次操作会分配 24 字节。[4]然而,在同一平台先前的 Go 版本中,每次操作则消耗了 32 字节。
```
% go1.15 test -bench=. sort_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkSortStrings-4 11453016 96.4 ns/op 32 B/op 1 allocs/op
PASS
ok command-line-arguments 1.225s
```
我们回归到本帖主旨,即 Go 1.16 版本中即将推出的一项便利改进。不过在讨论这个内容之前,我需要聊聊 size classes。
### Size classes
在解释什么是 Size classes 之前,我们先考虑个问题,理论上的 Go 语言在运行时是如何在其堆上分配 24 字节的。有一个简单的方法:追踪目前为止已分配到的所有内存的动向——利用指向堆上最后分配的字节的指针。分配 24 字节,堆指针就会增加 24然后将前一个值返回给调用函数。只要写入的请求 24 字节的代码不超出该标记的范围,这种机制就没有额外开销。不过,现实情况下,内存分配器不仅要分配内存,有时还得释放内存。
最终Go 语言程序在运行时将释放这些 24 字节,但从运行的视角来看,它目前唯一的价值就是提供给调用函数的起始地址。它不知道从该地址起始之后又分配了多少字节。为了允许释放,我们假设的 Go 语言程序运行时分配器必须记录堆上每个分配的长度值。那么这些长度值的分配存储在何处?当然是在堆上。
在我们的设想中,当程序运行需要分配内存的时候,请求可能是“供大于求”的,而且都是用来存储请求数量的。而对于我们的切片示例而言,当我们请求 24 字节时,实际上会消耗 24 字节加上存储数字 24 的一些开销。这些开销有多大?事实上,实际上的最小开销量是一个字。[5]
用来记录 24 字节分配的开销将是 8 字节。25% 不是很大,但也不算糟糕,随着分配的 size 增加,开销将变得微不足道。然而,如果我们只想在堆上存储一个字节,会发生什么?开销将是请求数据量的 8 倍!是否有一种更高效的方式在堆上分配少量内存?
与其在每个分配旁边存储长度,不如将相同大小的所有物品存储在一起,这个主意如何?如果所有的 24 字节物品都存储在一起,那么运行时会自动获取它们的大小。运行时所需要的是一个单一的位,指示 24 字节区域是否在使用中。在 Go 语言中,这些区域被称为 Size Classes因为相同大小的所有东西都会存储在一起类似学校班级所有学生都是同一年级而不是像 C++ 中的类那样)。当运行时需要分配少量内存时,它会使用能够容纳该分配的最小的 size class。
### 所有无限制 Size classes
现在我们知道 Size classes 是如何工作的了,那么问题又来了,它们存储在哪里?和我们想的一样,大小层级的内存来自堆。为了最小化开销,运行时会从堆上分配较大的内存块(通常是系统页面大小的倍数),然后将该空间用于单个大小的分配。不过,这里存在一个问题————
如果分配相同大小的内存区域没有固定且最好是较小的分配大小[6],那么在通用语言中,程序可以要求运行时以任何大小分配内存[7]。
例如,想象一下向运行时请求 9 字节。9 字节是一个不常见的大小,因此可能需要一个新的 size class 来存储 9 字节大小的物品。因为 9 字节大小的物品不常见,所以分配的其余部分(通常为 4KB 或更多)可能会被浪费。由于 Size Classes 的集合是固定的,如果没有精确匹配的 size class 可用,分配将并入到下一个 size class。在我们的示例中9 字节可能会在 12 字节的 size class 中分配。未使用的 3 字节的开销要比几乎未使用的整个 size class 分配好。
### 总结一下
这是谜题的最后一块拼图。Go 1.15 版本没有 24 字节的 size class因此 `ss` 的堆分配是在 32 字节的 size class 中分配的。由于 Martin Möhrmann 的工作Go 1.16 版本有一个 24 字节的 size class非常适合分配给接口的切片值。
[1] 这不是正确的对排序函数进行基准测试的方式,因为在第一次迭代之后,输入已经排序。但我岔开话题了。
[2] 此语句的准确性取决于所使用的 Go 版本。例如Go 1.15 版本添加了直接将一些[整数存储在接口值][e]中的功能,从而节省了分配和间接性。然而,对于大多数值来说,如果它不是指针类型,它的地址将被取出并存储在接口值中。
[3] 编译器在接口值的类型字段中跟踪了这种手法,因此它记住了分配给 `si` 的类型是 `sort.StringSlice` 而不是 `*sort.StringSlice`
[4] 在32位平台上这个数字减半[但我们不再关注它][f]。
[5] 如果您准备限制分配为 4G 或者可能是 64KB您可以使用较少内存来存储分配的 size但实际上使用小于一个字来存储长度标头的节省会受到填充的影响。
[6] 将相同大小的物品存储在一起也是一种有效的对抗碎片化的策略。
[7] 这并不是一个不切实际的设想,字符串有各种形状和大小,生成以前未见过的大小的字符串可能就像附加空格一样简单。
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1. [我在 Devfest 2017年西伯利亚大会谈 Go 语言][g]
2. [如果对齐的内存写操作是原子性的,为什么我们还需要 sync/atomic 包呢?][h]
3. [为你的树莓派创建一个真实的串行控制台][i]
4. [为什么 Go 语言线程的栈是无限制的?][j]
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via: https://dave.cheney.net/2021/01/05/a-few-bytes-here-a-few-there-pretty-soon-youre-talking-real-memory#easy-footnote-6-4231
作者:[Dave Cheney][a]
选题:[lujun9972][b]
译者:[Drwhooooo](https://github.com/Drwhooooo)
校对:[校对者ID](https://github.com/校对者ID)
本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译,[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
[a]: https://dave.cheney.net/
[b]: https://github.com/lujun9972
[c]: https://research.swtch.com/interfaces
[d]: https://github.com/golang/go/issues/23676
[e]: https://golang.org/doc/go1.15#runtime
[f]: https://www.tallengestore.com/products/i-never-look-back-darling-it-distracts-from-the-now-edna-mode-inspirational-quote-tallenge-motivational-poster-collection-large-art-prints
[g]: https://dave.cheney.net/2017/08/23/im-talking-about-go-at-devfest-siberia-2017
[h]: https://dave.cheney.net/2018/01/06/if-aligned-memory-writes-are-atomic-why-do-we-need-the-sync-atomic-package
[i]: https://dave.cheney.net/2014/01/05/a-real-serial-console-for-your-raspberry-pi
[j]: https://dave.cheney.net/2013/06/02/why-is-a-goroutines-stack-infinite