Go 語言較之 C 語言一個很大的優(yōu)勢就是自帶 GC 功能,可 GC 并不是沒有代價的。寫 C 語言的時候,在一個函數(shù)內(nèi)聲明的變量,在函數(shù)退出后會自動釋放掉,因為這些變量分配在棧上。如果你期望變量的數(shù)據(jù)可以在函數(shù)退出后仍然能被訪問,就需要調(diào)用 malloc 方法在堆上申請內(nèi)存,如果程序不再需要這塊內(nèi)存了,再調(diào)用 free 方法釋放掉。Go 語言不需要你主動調(diào)用 malloc 來分配堆空間,編譯器會自動分析,找出需要 malloc 的變量,使用堆內(nèi)存。編譯器的這個分析過程就叫做逃逸分析。
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所以你在一個函數(shù)中通過 dict := make(map[string]int) 創(chuàng)建一個 map 變量,其背后的數(shù)據(jù)是放在??臻g上還是堆空間上,是不一定的。這要看編譯器分析的結果。
可逃逸分析并不是百分百準確的,它有缺陷。有的時候你會發(fā)現(xiàn)有些變量其實在??臻g上分配完全沒問題的,但編譯后程序還是把這些數(shù)據(jù)放在了堆上。如果你了解 Go 語言編譯器逃逸分析的機制,在寫代碼的時候就可以有意識地繞開這些缺陷,使你的程序更高效。
Go 語言雖然在內(nèi)存管理方面降低了編程門檻,即使你不了解堆棧也能正常開發(fā),但如果你要在性能上較真的話,還是要掌握這些基礎知識。
這里不對堆內(nèi)存和棧內(nèi)存的區(qū)別做太多闡述。簡單來說就是, 棧分配廉價,堆分配昂貴。 棧空間會隨著一個函數(shù)的結束自動釋放,堆空間需要時間 GC 模塊不斷地跟蹤掃描回收。如果對這兩個概念有些迷糊,建議閱讀下面 2 個文章:
這里舉一個小例子,來對比下堆棧的差別:
stack 函數(shù)中的變量 i 在函數(shù)退出會自動釋放;而 heap 函數(shù)返回的是對變量 i 的引用,也就是說 heap() 退出后,表示變量 i 還要能被訪問,它會自動被分配到堆空間上。
他們編譯出來的代碼如下:
邏輯的復雜度不言而喻,從上面的匯編中可看到, heap() 函數(shù)調(diào)用了 runtime.newobject() 方法,它會調(diào)用 mallocgc 方法從 mcache 上申請內(nèi)存,申請的內(nèi)部邏輯前面文章已經(jīng)講述過。堆內(nèi)存分配不僅分配上邏輯比棧空間分配復雜,它最致命的是會帶來很大的管理成本,Go 語言要消耗很多的計算資源對其進行標記回收(也就是 GC 成本)。
Go 編輯器會自動幫我們找出需要進行動態(tài)分配的變量,它是在編譯時追蹤一個變量的生命周期,如果能確認一個數(shù)據(jù)只在函數(shù)空間內(nèi)訪問,不會被外部使用,則使用??臻g,否則就要使用堆空間。
我們在 go build 編譯代碼時,可使用 -gcflags '-m' 參數(shù)來查看逃逸分析日志。
以上面的兩個函數(shù)為例,編譯的日志輸出是:
日志中的 i escapes to heap 表示該變量數(shù)據(jù)逃逸到了堆上。
需要使用堆空間,所以逃逸,這沒什么可爭議的。但編譯器有時會將 不需要 使用堆空間的變量,也逃逸掉。這里是容易出現(xiàn)性能問題的大坑。網(wǎng)上有很多相關文章,列舉了一些導致逃逸情況,其實總結起來就一句話:
多級間接賦值容易導致逃逸 。
這里的多級間接指的是,對某個引用類對象中的引用類成員進行賦值。Go 語言中的引用類數(shù)據(jù)類型有 func , interface , slice , map , chan , *Type(指針) 。
記住公式 Data.Field = Value ,如果 Data , Field 都是引用類的數(shù)據(jù)類型,則會導致 Value 逃逸。這里的等號 = 不單單只賦值,也表示參數(shù)傳遞。
根據(jù)公式,我們假設一個變量 data 是以下幾種類型,相應的可以得出結論:
下面給出一些實際的例子:
如果變量值是一個函數(shù),函數(shù)的參數(shù)又是引用類型,則傳遞給它的參數(shù)都會逃逸。
上例中 te 的類型是 func(*int) ,屬于引用類型,參數(shù) *int 也是引用類型,則調(diào)用 te(j) 形成了為 te 的參數(shù)(成員) *int 賦值的現(xiàn)象,即 te.i = j 會導致逃逸。代碼中其他幾種調(diào)用都沒有形成 多級間接賦值 情況。
同理,如果函數(shù)的參數(shù)類型是 slice , map 或 interface{} 都會導致參數(shù)逃逸。
匿名函數(shù)的調(diào)用也是一樣的,它本質上也是一個函數(shù)變量。有興趣的可以自己測試一下。
只要使用了 Interface 類型(不是 interafce{} ),那么賦值給它的變量一定會逃逸。因為 interfaceVariable.Method() 先是間接的定位到它的實際值,再調(diào)用實際值的同名方法,執(zhí)行時實際值作為參數(shù)傳遞給方法。相當于 interfaceVariable.Method.this = realValue
向 channel 中發(fā)送數(shù)據(jù),本質上就是為 channel 內(nèi)部的成員賦值,就像給一個 slice 中的某一項賦值一樣。所以 chan *Type , chan map[Type]Type , chan []Type , chan interface{} 類型都會導致發(fā)送到 channel 中的數(shù)據(jù)逃逸。
這本來也是情理之中的,發(fā)送給 channel 的數(shù)據(jù)是要與其他函數(shù)分享的,為了保證發(fā)送過去的指針依然可用,只能使用堆分配。
可變參數(shù)如 func(arg ...string) 實際與 func(arg []string) 是一樣的,會增加一層訪問路徑。這也是 fmt.Sprintf 總是會使參數(shù)逃逸的原因。
例子非常多,這里不能一一列舉,我們只需要記住分析方法就好,即,2 級或更多級的訪問賦值會 容易 導致數(shù)據(jù)逃逸。這里加上 容易 二字是因為隨著語言的發(fā)展,相信這些問題會被慢慢解決,但現(xiàn)階段,這個可以作為我們分析逃逸現(xiàn)象的依據(jù)。
下面代碼中包含 2 種很常規(guī)的寫法,但他們卻有著很大的性能差距,建議自己想下為什么。
Benchmark 和 pprof 給出的結果:
熟悉堆棧概念可以讓我們更容易看透 Go 程序的性能問題,并進行優(yōu)化。
多級間接賦值會導致 Go 編譯器出現(xiàn)不必要的逃逸,在一些情況下可能我們只需要修改一下數(shù)據(jù)結構就會使性能有大幅提升。這也是很多人不推薦在 Go 中使用指針的原因,因為它會增加一級訪問路徑,而 map , slice , interface{} 等類型是不可避免要用到的,為了減少不必要的逃逸,只能拿指針開刀了。
大多數(shù)情況下,性能優(yōu)化都會為程序帶來一定的復雜度。建議實際項目中還是怎么方便怎么寫,功能完成后通過性能分析找到瓶頸所在,再對局部進行優(yōu)化。
在Go語言中有一些調(diào)試技巧能幫助我們快速找到問題,有時候你想盡可能多的記錄異常但仍覺得不夠,搞清楚堆棧的意義有助于定位Bug或者記錄更完整的信息。
本文將討論堆棧跟蹤信息以及如何在堆棧中識別函數(shù)所傳遞的參數(shù)。
Functions
先從這段代碼開始:
Listing 1
01 package main
02
03 func main() {
04 ? ? slice := make([]string, 2, 4)
05 ? ? Example(slice, "hello", 10)
06 }
07
08 func Example(slice []string, str string, i int) {
09 ? ? panic("Want stack trace")
10 }
Example函數(shù)定義了3個參數(shù),1個string類型的slice, 1個string和1個integer, 并且拋出了panic,運行這段代碼可以看到這樣的結果:
Listing 2
Panic: Want stack trace
goroutine 1 [running]:
main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5, 0xa)
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:9 +0x64
main.main()
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:5 +0x85
goroutine 2 [runnable]:
runtime.forcegchelper()
/Users/bill/go/src/runtime/proc.go:90
runtime.goexit()
/Users/bill/go/src/runtime/asm_amd64.s:2232 +0x1
goroutine 3 [runnable]:
runtime.bgsweep()
/Users/bill/go/src/runtime/mgc0.go:82
runtime.goexit()
/Users/bill/go/src/runtime/asm_amd64.s:2232 +0x1
堆棧信息中顯示了在panic拋出這個時間所有的goroutines狀態(tài),發(fā)生的panic的goroutine會顯示在最上面。
Listing 3
01 goroutine 1 [running]:
02 main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5, 0xa)
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:9 +0x64
03 main.main()
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:5 +0x85
第1行顯示最先發(fā)出panic的是goroutine 1, 第二行顯示panic位于main.Example中, 并能定位到該行代碼,在本例中第9行引發(fā)了panic。
下面我們關注參數(shù)是如何傳遞的:
Listing 4
// Declaration
main.Example(slice []string, str string, i int)
// Call to Example by main.
slice := make([]string, 2, 4)
Example(slice, "hello", 10)
// Stack trace
main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5, 0xa)
這里展示了在main中帶參數(shù)調(diào)用Example函數(shù)時的堆棧信息,比較就能發(fā)現(xiàn)兩者的參數(shù)數(shù)量并不相同,Example定義了3個參數(shù),堆棧中顯示了6個參數(shù)。現(xiàn)在的關鍵問題是我們要弄清楚它們是如何匹配的。
第1個參數(shù)是string類型的slice,我們知道在Go語言中slice是引用類型,即slice變量結構會包含三個部分:指針、長度(Lengthe)、容量(Capacity)
Listing 5
// Slice parameter value
slice := make([]string, 2, 4)
// Slice header values
Pointer: ?0x2080c3f50
Length: ? 0x2
Capacity: 0x4
// Declaration
main.Example(slice []string, str string, i int)
// Stack trace
main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5, 0xa)
因此,前面3個參數(shù)會匹配slice, 如下圖所示:
Figure 1
figure provided by Georgi Knox
我們現(xiàn)在來看第二個參數(shù),它是string類型,string類型也是引用類型,它包括兩部分:指針、長度。
Listing 6
// String parameter value
"hello"
// String header values
Pointer: 0x425c0
Length: ?0x5
// Declaration
main.Example(slice []string,?str string, i int)
// Stack trace
main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4,?0x425c0, 0x5, 0xa)
可以確定,堆棧信息中第4、5兩個參數(shù)對應代碼中的string參數(shù),如下圖所示:
Figure 2
figure provided by Georgi Knox
最后一個參數(shù)integer是single word值。
Listing 7
// Integer parameter value
10
// Integer value
Base 16: 0xa
// Declaration
main.Example(slice []string, str string,?i int)
// Stack trace
main.Example(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5,?0xa)
現(xiàn)在我們可以匹配代碼中的參數(shù)到堆棧信息了。
Figure 3
figure provided by Georgi Knox
Methods
如果我們將Example作為結構體的方法會怎么樣呢?
Listing 8
01 package main
02
03 import "fmt"
04
05 type trace struct{}
06
07 func main() {
08 ? ? slice := make([]string, 2, 4)
09
10 ? ? var t trace
11 ? ? t.Example(slice, "hello", 10)
12 }
13
14 func (t *trace) Example(slice []string, str string, i int) {
15 ? ? fmt.Printf("Receiver Address: %p\n", t)
16 ? ? panic("Want stack trace")
17 }
如上所示修改代碼,將Example定義為trace的方法,并通過trace的實例t來調(diào)用Example。
再次運行程序,會發(fā)現(xiàn)堆棧信息有一點不同:
Listing 9
Receiver Address:?0x1553a8
panic: Want stack trace
01 goroutine 1 [running]:
02 main.(*trace).Example(0x1553a8, 0x2081b7f50, 0x2, 0x4, 0xdc1d0, 0x5, 0xa)
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:16 +0x116
03 main.main()
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:11 +0xae
首先注意第2行的方法調(diào)用使用了pointer receiver,在package名字和方法名之間多出了"*trace"字樣。另外,參數(shù)列表的第1個參數(shù)標明了結構體(t)地址。我們從堆棧信息中看到了內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)。
Packing
如果有多個參數(shù)可以填充到一個single word, 則這些參數(shù)值會合并打包:
Listing 10
01 package main
02
03 func main() {
04 ? ? Example(true, false, true, 25)
05 }
06?
07 func Example(b1, b2, b3 bool, i uint8) {
08 ? ? panic("Want stack trace")
09 }
這個例子修改Example函數(shù)為4個參數(shù):3個bool型和1個八位無符號整型。bool值也是用8個bit表示,所以在32位和64位架構下,4個參數(shù)可以合并為一個single word。
Listing 11
01 goroutine 1 [running]:
02 main.Example(0x19010001)
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:8 +0x64
03 main.main()
/Users/bill/Spaces/Go/Projects/src/github.com/goinaction/code/
temp/main.go:4 +0x32
這是本例的堆棧信息,看下圖的具體分析:
Listing 12
// Parameter values
true, false, true, 25
// Word value
Bits ? ?Binary ? ? ?Hex ? Value
00-07 ? 0000 0001 ??01? ??true
08-15 ? 0000 0000 ??00? ? false
16-23 ? 0000 0001 ??01? ? true
24-31 ? 0001 1001 ??19? ? 25
// Declaration
main.Example(b1, b2, b3 bool, i uint8)
// Stack trace
main.Example(0x19010001)
以上展示了參數(shù)值是如何匹配到4個參數(shù)的。當我們看到堆棧信息中包括十六進制值,需要知道這些值是如何傳遞的。
這個問題說來話長,我先表達一下我的觀點,Go語言從語法層面提供區(qū)分錯誤和異常的機制是很好的做法,比自己用單個返回值做值判斷要方便很多。
上面看到很多知乎大牛把異常和錯誤混在一起說,有認為Go沒有異常機制的,有認為Go純粹只有異常機制的,我覺得這些觀點都太片面了。
具體對于錯誤和異常的討論,我轉發(fā)一下前陣子寫的一篇日志拋磚引玉吧。
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最近連續(xù)遇到朋友問我項目里錯誤和異常管理的事情,之前也多次跟團隊強調(diào)過錯誤和異常管理的一些概念,所以趁今天有動力就趕緊寫一篇Go語言項目錯誤和異常管理的經(jīng)驗分享。
首先我們要理清:什么是錯誤、什么是異常、為什么需要管理。然后才是怎樣管理。
錯誤和異常從語言機制上面講,就是error和panic的區(qū)別,放到別的語言也一樣,別的語言沒有error類型,但是有錯誤碼之類的,沒有panic,但是有throw之類的。
在語言層面它們是兩種概念,導致的是兩種不同的結果。如果程序遇到錯誤不處理,那么可能進一步的產(chǎn)生業(yè)務上的錯誤,比如給用戶多扣錢了,或者進一步產(chǎn)生了異常;如果程序遇到異常不處理,那么結果就是進程異常退出。
在項目里面是不是應該處理所有的錯誤情況和捕捉所有的異常呢?我只能說,你可以這么做,但是估計效果不會太好。我的理由是:
如果所有東西都處理和記錄,那么重要信息可能被淹沒在信息的海洋里。
不應該處理的錯誤被處理了,很容易導出BUG暴露不出來,直到出現(xiàn)更嚴重錯誤的時候才暴露出問題,到時候排查就很困難了,因為已經(jīng)不是錯誤的第一現(xiàn)場。
所以錯誤和異常最好能按一定的規(guī)則進行分類和管理,在第一時間能暴露錯誤和還原現(xiàn)場。
對于錯誤處理,Erlang有一個很好的概念叫速錯,就是有錯誤第一時間暴露它。我們的項目從Erlang到Go一直是沿用這一設計原則。但是應用這個原則的前提是先得區(qū)分錯誤和異常這兩個概念。
錯誤和異常上面已經(jīng)提到了,從語言機制層面比較容易區(qū)分它們,但是語言取決于人為,什么情況下用錯誤表達,什么情況下用異常表達,就得有一套規(guī)則,否則很容易出現(xiàn)全部靠異常來做錯誤處理的情況,似乎Java項目特別容易出現(xiàn)這樣的設計。
這里我先假想有這樣一個業(yè)務:游戲玩家通過購買按鈕,用銅錢購買寶石。
在實現(xiàn)這個業(yè)務的時候,程序邏輯會進一步分化成客戶端邏輯和服務端邏輯,客戶端邏輯又進一步因為設計方式的不同分化成兩種結構:胖客戶端結構、瘦客戶端結構。
胖客戶端結構,有更多的本地數(shù)據(jù)和懂得更多的業(yè)務邏輯,所以在胖客戶端結構的應用中,以上的業(yè)務會實現(xiàn)成這樣:客戶端檢查緩存中的銅錢數(shù)量,銅錢數(shù)量足夠的時候購買按鈕為可用的亮起狀態(tài),用戶點擊購買按鈕后客戶端發(fā)送購買請求到服務端;服務端收到請求后校驗用戶的銅錢數(shù)量,如果銅錢數(shù)量不足就拋出異常,終止請求過程并斷開客戶端的連接,如果銅錢數(shù)量足夠就進一步完成寶石購買過程,這里不繼續(xù)描述正常過程。
因為正常的客戶端是有一步數(shù)據(jù)校驗的過程的,所以當服務端收到不合理的請求(銅錢不足以購買寶石)時,拋出異常比返回錯誤更為合理,因為這個請求只可能來自兩種客戶端:外掛或者有BUG的客戶端。如果不通過拋出異常來終止業(yè)務過程和斷開客戶端連接,那么程序的錯誤就很難被第一時間發(fā)現(xiàn),攻擊行為也很難被發(fā)現(xiàn)。
我們再回頭看瘦客戶端結構的設計,瘦客戶端不會存有太多狀態(tài)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)也不清楚業(yè)務邏輯,所以客戶端的設計會是這樣:用戶點擊購買按鈕,客戶端發(fā)送購買請求;服務端收到請求后檢查銅錢數(shù)量,數(shù)量不足就返回數(shù)量不足的錯誤碼,數(shù)量足夠就繼續(xù)完成業(yè)務并返回成功信息;客戶端收到服務端的處理結果后,在界面上做出反映。
在這種結構下,銅錢不足就變成了業(yè)務邏輯范圍內(nèi)的一種失敗情況,但不能提升為異常,否則銅錢不足的用戶一點購買按鈕都會出錯掉線。
所以,異常和錯誤在不同程序結構下是互相轉換的,我們沒辦法一句話的給所有類型所有結構的程序一個統(tǒng)一的異常和錯誤分類規(guī)則。
但是,異常和錯誤的分類是有跡可循的。比如上面提到的痩客戶端結構,銅錢不足是業(yè)務邏輯范圍內(nèi)的一種失敗情況,它屬于業(yè)務錯誤,再比如程序邏輯上嘗試請求某個URL,最多三次,重試三次的過程中請求失敗是錯誤,重試到第三次,失敗就被提升為異常了。
所以我們可以這樣來歸類異常和錯誤:不會終止程序邏輯運行的歸類為錯誤,會終止程序邏輯運行的歸類為異常。
因為錯誤不會終止邏輯運行,所以錯誤是邏輯的一部分,比如上面提到的瘦客戶端結構,銅錢不足的錯誤就是業(yè)務邏輯處理過程中需要考慮和處理的一個邏輯分支。而異常就是那些不應該出現(xiàn)在業(yè)務邏輯中的東西,比如上面提到的胖客戶端結構,銅錢不足已經(jīng)不是業(yè)務邏輯需要考慮的一部分了,所以它應該是一個異常。
錯誤和異常的分類需要通過一定的思維訓練來強化分類能力,就類似于面向對象的設計方式一樣的,技術實現(xiàn)就擺在那邊,但是要用好需要不斷的思維訓練不斷的歸類和總結,以上提到的歸類方式希望可以作為一個參考,期待大家能發(fā)現(xiàn)更多更有效的歸類方式。
接下來我們講一下速錯和Go語言里面怎么做到速錯。
速錯我最早接觸是在做的時候就體驗到的,當然跟Erlang的速錯不完全一致,那時候也沒有那么高大上的一個名字,但是對待異常的理念是一樣的。
在.NET項目開發(fā)的時候,有經(jīng)驗的程序員都應該知道,不能隨便re-throw,就是catch錯誤再拋出,原因是異常的第一現(xiàn)場會被破壞,堆棧跟蹤信息會丟失,因為外部最后拿到異常的堆棧跟蹤信息,是最后那次throw的異常的堆棧跟蹤信息;其次,不能隨便try catch,隨便catch很容易導出異常暴露不出來,升級為更嚴重的業(yè)務漏洞。
到了Erlang時期,大家學到了速錯概念,簡單來講就是:讓它掛。只有掛了你才會第一時間知道錯誤,但是Erlang的掛,只是Erlang進程的異常退出,不會導致整個Erlang節(jié)點退出,所以它掛的影響層面比較低。
在Go語言項目中,雖然有類似Erlang進程的Goroutine,但是Goroutine如果panic了,并且沒有recover,那么整個Go進程就會異常退出。所以我們在Go語言項目中要應用速錯的設計理念,就要對Goroutine做一定的管理。
在我們的游戲服務端項目中,我把Goroutine按掛掉后的結果分為兩類:1、掛掉后不影響其他業(yè)務或功能的;2、掛掉后業(yè)務就無法正常進行的。
第一類Goroutine典型的有:處理各個玩家請求的Goroutine,因為每個玩家連接各自有一個Goroutine,所以掛掉了只會影響單個玩家,不會影響整體業(yè)務進行。
第二類Goroutine典型的有:數(shù)據(jù)庫同步用的Goroutine,如果它掛了,數(shù)據(jù)就無法同步到數(shù)據(jù)庫,游戲如果繼續(xù)運行下去只會導致數(shù)據(jù)回檔,還不如讓整個游戲都異常退出。
這樣一分類,就可以比較清楚哪些Goroutine該做recover處理,哪些不該做recover處理了。
那么在做recover處理時,要怎樣才能盡量保留第一現(xiàn)場來幫組開發(fā)者排查問題原因呢?我們項目中通常是會在最外層的recover中把錯誤和堆棧跟蹤信息記進日志,同時把關鍵的業(yè)務信息,比如:用戶ID、來源IP、請求數(shù)據(jù)等也一起記錄進去。
為此,我們還特地設計了一個庫,用來格式化輸出堆棧跟蹤信息和對象信息,項目地址:funny/debug · GitHub
通篇寫下來發(fā)現(xiàn)比我預期的長很多,所以這里我做一下歸納總結,幫組大家理解這篇文章所要表達的:
錯誤和異常需要分類和管理,不能一概而論
錯誤和異常的分類可以以是否終止業(yè)務過程作為標準
錯誤是業(yè)務過程的一部分,異常不是
不要隨便捕獲異常,更不要隨便捕獲再重新拋出異常
Go語言項目需要把Goroutine分為兩類,區(qū)別處理異常
在捕獲到異常時,需要盡可能的保留第一現(xiàn)場的關鍵數(shù)據(jù)
以上僅為一家之言,拋磚引玉,希望對大家有所幫助。