Go编译原理系列10（逃逸分析）

前言

在上一篇文章中分享了编译器的优化方法之一：函数内联，本文分享编译器的另一个优化方法：逃逸分析。逃逸分析是Go语言编译过程中比较重要的一个优化阶段，它主要用于标识变量应该被分配到栈上还是堆上

概述中的内容（包括示例），其实你可以在逃逸分析的源码注释中看到，逃逸分析源码位置：src/cmd/compile/internal/gc/escape.go（感觉是这几部分源码里边注释最全的一部分，哈哈哈）

逃逸分析概述

首先我们知道，在C/C++中，如果一个函数返回了一个栈上的对象指针，在函数执行完成，栈被销毁后，继续访问被销毁栈上的对象指针，就会出现问题

本部分介绍完Go语言编译过程的逃逸分析之后，你会发现逃逸分析阶段会识别出一个变量应该放在堆还是放在栈，对于放在堆中的变量，会借助Go运行时的垃圾回收机制自动的释放内存。当然，编译器会尽可能地将变量放置到栈中，因为栈中的对象随着函数调用结束会被自动销毁，减轻运行时分配和垃圾回收的负担

有了逃逸分析，其实作为Go开发者，我们在定义变量或对象时，都既可能被分配到栈中，也可能被分配到堆中。比如使用new或make创建的对象

在分配时，遵循以下两个原则：

1. 指向栈上对象的指针不能被存储到堆中（因为栈上的内存会在使用完后被销毁）
2. 指向栈上对象的指针不能超过该栈对象的生命周期（如果超过该栈对象的生命周期，它会被销毁）

下边是一个简单的逃逸的示例

package main

var a *int

func main()  {
    b := 1
    a = &b
}

示例中，a是一个全局的整形指针变量，在main函数中，变量a引用了变量b的地址。根据上边我们提到的两个分配原则，如果b分配到栈中，就违背了第二个原则，变量a超过了变量b的声明周期，所以b需要被分配到堆中。你可以通过下边命令查看逃逸信息

go tool compile -m xxx.go

Go编译过程会构建带权重的有向图，权重表示当前变量引用和解引用的数量。如下例所示，p引用q时的权重，当权重大于0时，代表存在*解引用操作。当权重为-1时，代表存在&引用操作

p = &q // -1
p = q //0
p = *q // 1
p = **q // 2
p = **&**&q //2

并不是权重为-1就一定要逃逸，比如在下边这个示例中，虽然a引用了变量b的地址，但是由于变量a并没有超过变量b的声明周期，因此变量b与变量a都不需要逃逸

func test() int {
    b := 666
    a := &b
    
    return *a
}

下边通过一个示例来展示解编译器带权重的有向图

package main

var o *int

func main()  {
    l := new(int)
    *l = 42
    m := &l
    n := &m
    o = **n
}

最终编译器在逃逸分析中的数据流分析，会被解析成下图所示的带权重的有向图

其中，节点代表变量，边代表变量之间的赋值，箭头代表赋值的方向，边上的数字代表当前赋值的引用或解引用的个数。节点的权重=前一个节点的权重+箭头上的数字，例如节点m的权重为2-1=1，而节点l的权重为1-1=0

遍历和计算有向权重图的目的是找到权重为-1的节点，比如上图中的new(int)节点，它的节点变量地址会被传递到根节点o中，这时还需要考虑逃逸分析的分配原则，o节点为全局变量，不能被分配在栈中，因此，new(int)节点创建的变量会被分配到堆中

实际的场景中会更加复杂，因为一个节点可能拥有多条边（比如结构体），而节点之间可能出现环。Go语言采用Bellman Ford算法（解决单源最短路径的算法）遍历查找有向图中权重小于0的节点

逃逸分析的核心代码位于：src/cmd/compile/internal/gc/escape.go。下边就简单看看一下逃逸分析的源码

逃逸分析底层实现

同样是顺着Go编译的入口文件往下看，你会看到下边这行代码

// Phase 6: Escape analysis.
timings.Start("fe", "escapes")
escapes(xtop)

调用了escapes方法，进行逃逸分析，下边看escapes方法的具体实现

func escapes(all []*Node) {
    visitBottomUp(all, escapeFuncs)
}

发现它里边只调用可一个方法visitBottomUp，是不是很眼熟。没错，上一篇分享函数内联的时候，也是调用了这个方法。它的作用是通过深度优先搜索遍历抽象语法树，对每个结点进行验证，比如是不是闭包等。然后就是对满足条件的抽象语法树，执行传入的方法，对于逃逸分析，其实就是检查完之后去执行visitBottomUp的第二个参数中传递的函数escapeFuncs

下边就主要看escapeFuncs的内部实现

func escapeFuncs(fns []*Node, recursive bool) {
    for _, fn := range fns {
        if fn.Op != ODCLFUNC {
            Fatalf("unexpected node: %v", fn)
        }
    }

    var e Escape
    e.heapLoc.escapes = true

    for _, fn := range fns {
        e.initFunc(fn)
    }
    for _, fn := range fns {
        e.walkFunc(fn)
    }
    e.curfn = nil

    e.walkAll()
    e.finish(fns)
}

代码很少，主要是调用了initFunc、walkFunc、walkAll、finish这几个方法，我这里大致介绍它里边都做了什么，具体的实现细节，你可以自行的去看源码

• initFunc：其实就是从语法树构造数据流图，前边提到的带权有向图
• walkFunc：遍历AST，判断相应节点是不是OGOTO或OLABEL，然后将它们打上相应的标签（比如是OGOTO的话，就打上循环标签）
• walkAll：它主要就是计算带权有向图中每个节点的最小解引用。它的实现就用到了上边提到的Bellman Ford算法（关于这个算法我也不太懂，感兴趣的可以从维基百科上了解，具体点这里）
• finish：根据逃逸分析结果更新AST中对应节点的Esc字段等