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内存管理

本章主要内容包括内存管理的概念、常见的内存管理方式、 GS 的 GC 内存管理。适用于缺乏内存管理基础概念或缺乏 GC (Garbage Collection，垃圾回收)相关知识的同学。读完本章你应当能够理解内存管理在项目开发中的重要性，了解常见的内存管理方式、理解 GS 的 GC 内存管理机制。

1 什么是内存管理

内存管理是操作系统或应用程序运行时环境对计算机主内存（RAM）资源的分配、使用、回收和保护的策略与机制的总称。可以将其比喻为一个高效的“图书馆管理员”，它负责：

分配：当程序需要内存时（如创建变量、对象），管理员从书库（内存空间）中找出空闲的“书架格”（内存地址）分配给程序。
回收：当程序不再需要某块内存时（如变量超出作用域），管理员需要及时收回这些“书架格”，以便后续重新分配使用。
保护：确保一个程序不能随意访问或修改其他程序的内存区域，防止数据被破坏或泄露，保证系统的稳定性和安全性。

2 为什么内存管理至关重要

内存是一种有限且关键的资源，低效或错误的内存管理会直接导致严重问题：

内存泄漏：程序未能释放不再使用的内存。如同从图书馆借书永不归还。随着程序运行，泄漏的内存不断累积，最终耗尽所有可用内存，导致程序或系统变慢、崩溃。
悬空指针/野指针：程序释放了某块内存后，未能清空指向它的指针。这个指针就像了一个指向已归还书籍的错误索书号。后续若通过该指针访问内存，行为不可预测，通常会导致程序崩溃或数据损坏。
内存溢出：程序申请的内存超过了系统能提供的最大可用内存。直接导致申请失败，程序异常终止。

因此，一套优秀的内存管理机制是保障程序健壮性、稳定性和性能的基石。

::: tip 以默认的 page-alloc 参数启动的 driver 的最大申请内存为 4GB :::

3 内存管理方式

3.1 手动内存管理

做法： 程序员像“精密工程师”，需要显式地编写代码来申请内存（malloc/new）和释放内存（free/delete）。
优点： 控制精准，效率极高。
缺点： 极易出错。忘记释放导致内存泄漏；释放了还在用的内存导致悬空指针/程序崩溃。（这是小白们需要避免的痛点）

3.2 自动内存管理

做法： 语言运行时系统自带一个“保洁员”（GC），它会自动跟踪哪些内存还在使用，哪些已经不再需要，并自动进行回收。
优点： 安全（几乎不可能出现内存管理错误）、省心（开发者专注于业务逻辑，生产力更高）。
缺点： GC活动需要消耗计算资源，可能会在不可预测的时刻引发短暂的停顿（Stop-The-World），但 GS 采用多线程无停顿 GC (Pauseless GC)技术，通过在后台线程执行大部分GC工作，极大减少了应用程序的停顿时间。

4 GS 如何管理内存：自动垃圾回收（GC）

你可以把计算机的内存想象成你的房间。当你创建变量、对象时，就像往房间里增加一个盒子，在里面放东西（数据）。

当你不再需要这些东西时，在一些编程语言（如C/C++）中，你必须自己扮演“保洁员”，亲自申请盒子，并在用完后果断地扔掉它。这很高效，但忘了扔的话，房间就会变得混乱不堪（内存泄漏）；扔错了还在用的东西，程序就会崩溃（非法访问）。

在 GS 中，我们有一位贴心、勤劳的自动保洁员——垃圾回收器（Garbage Collector, GC）。你只需要专注于从房间里取用盒子，享受创造的过程。当你用完一个盒子并把它放在一边后，这位保洁员会自动识别并帮你清理掉它，让你的房间始终保持整洁。
简单来说，GS会自动管理内存，让你从手动清扫房间的负担中解放出来。

4.1 基本原理

在GS中，垃圾回收机制是自动执行的，通过可达性分析来确定哪些对象可以被回收。GS 会从一组根对象开始遍历所有从跟对象可达的对象，并将其标记为 "存活"。当一个对象不再被任何引用时，也就是其不可达时，垃圾回收器会自动将其标记为可回收对象。并在独立的GC线程中释放内存。

让我们写一个简单的测试用例：

get_system_info()用于获取系统信息，该函数会创建一个全新的用于保存系统信息的表(相当于会申请一片内存用于存储信息)。
循环中循环一百万次不断调用get_system_info()申请内存，并输出当前 drvier 使用的总内存信息。
每次循环中get_system_info()申请的 map 表会被赋值到 object 变量sys_map。
driver 默认的 4GB 内存空间是不足以保存一百万个get_system_info()申请的 map 表的。

示例如下:

map sys_map = nil;
array arr = nil;
void loop_create_map()
{
    printf(HIC"Init memory useage is %d MB\n"NOR, mem_stat().total_used_size / 1024 /1024);
    arr = array.allocate(1000000);
    for(int i = 0 upto 1000000 - 1)
    {
        sys_map = get_system_info();
        if(i % 10000 == 0)
            printf("\rCreated map count is %d, total used memory size is %d MB\n", i, mem_stat().total_used_size / 1024 /1024);
    }
}
loop_create_map();

示例 4-1:垃圾回收示例
运行如上示例，我们可以看到总使用内存在 95MB - 100MB 之间不断波动，而不是持续的增长。实际上，每次循环赋值都会覆盖掉在object变量 sys_map 保存的的上一次get_system_info()申请的 map 表的引用。GC 会识别到这个旧 map 表没有被任何合法的位置引用，并回收相应的内存空间。

好的，接下来让我们尝试在数组中保留历史的 get_system_info()申请的 map 表引用，让我们看看会发生什么？示例如下:

map sys_map = nil;
array arr = nil;
void loop_create_map()
{
    printf(HIC"Init memory useage is %d MB\n"NOR, mem_stat().total_used_size / 1024 /1024);
    arr = array.allocate(1000000);
    for(int i = 0 upto 1000000 - 1)
    {
        sys_map = get_system_info();
        arr[i] = sys_map;
        if(i % 10000 == 0)
            printf("\rCreated map count is %d, total used memory size is %d MB\n", i, mem_stat().total_used_size / 1024 /1024);
    }
}
loop_create_map();

示例 4-2:合法引用 map 导致内存泄漏示例
运行如上示例，我们可以看到 total used memory size 的数组不断增长到接近 4GB。然后 driver 警告 Warning(3006): Memory is running out! ，此时 driver 会多次触发 GC 尝试回收内存，并尝试在回收内存后重新申请内存。由于我们的所有get_system_info() 申请的 map 表引用均被保存在数组中，对应的内存无法被释放，最终给出多次警告 Warning(3006): Failed to allocate GC memory (wants: 68 byte) at ..., retrying... (2/10). 之后报错 Error(-101): Can not allocate GC memory (wants: 96 byte) at ...

4.2 触发机制

GS支持分代回收机制，当满足以下条件时，GS会触发一次垃圾回收：

当执行 gc.start(false) 时，触发一次 Minor GC。
当执行 gc.start(true) 时，触发一次 Full GC。
当新分配的内存（即自上一次GC完成之后的内存增长量）大于或等于 MinorGC 阈值¹时，触发一次 Minor GC。
当新分配的内存（即自上一次GC完成之后的内存增长量）满足 FullGC 触发条件²时，触发一次 Full GC。
当尝试为GC实例分配内存失败时，触发一次 Full GC。

注释：

MinorGC 阈值默认为：
```
OLD_SIZE / 16 + YOUNG_SIZE / 2
```
其中，OLD_SIZE 是当前的老年代体积，YOUNG_SIZE 是上一轮GC完成后的年轻代体积。如果距离上一次GC的时间少于 5ms 并且有足够的 GC 工作线程，实际检查时还会有额外的修正系数，以避免过于频繁的GC触发。

FullGC 触发条件为：

先决条件

新分配的内存大于等于：

LAST_FULL_GC_OLD_SIZE + OLD_SIZE / 16 + YOUNG_SIZE / 2

满足先决条件后，还需满足下列三个条件之一：

OLD_SIZE >= LAST_FULL_GC_OLD_SIZE * 2

距离上一次 FullGC 3秒以上，且 OLD_SIZE >= LAST_FULL_GC_OLD_SIZE * 3/2

距离上一次 FullGC 180秒以上，且 OLD_SIZE >= LAST_FULL_GC_OLD_SIZE * 5/4

LAST_FULL_GC_OLD_SIZE 是上一次 Full GC 之后的老年代体积。

4.3 GC配置

可以通过命令行参数配置GC的阈值，常用的相关的配置项如下：

--gc-quota-to-minor-gc <MinorGC 阈值>

单位为字节，合法取值范围为 16KByte 到 1TByte；用于替换默认的 MinorGC 阈值计算公式。

--gc-count-upper-bound <单次内存计数分配上界>

设置单次内存分配计数的上限，单位是字节，默认值为 1MByte；设置为0表示不设上限。

当一次分配超过此值的内存大小时，计数最大只会计入此值，超过部分不计入内存分配计数。

此机制能降低部分场景下的GC触发频率，但如果设置得过低会抑制GC的触发，导致内存占用偏高。

4.4 引用泄漏

尽管 GS 的 GC 垃圾回收会为我们解决绝大多数情况下的内存管理问题，但其并未完全消除内存泄露的可能。
在带有GC的语言中，内存泄漏的本质是"无意的对象保留"。当对象不再被程序使用，但由于某些原因忘记移除引用导致对象仍"可达"时，就会发生内存泄漏。

示例 4-2可以视为一个简单的内存泄漏样例，但在实际项目的中的内存泄漏情况却更加复杂。其引用路径可能极长、隐蔽、难以发现。

在后续的调试技巧章节中，我们会介绍 mem record 内存统计工具以及 gc snapshot 内存快照工具用于解决此类内存泄露问题。

5 总结

恭喜，你现在已经掌握了内存管理的核心概念，理解了手动和自动内存管理的区别，熟悉了GS的垃圾回收机制及其触发条件，并认识到 GC 虽能自动管理内存，但仍需警惕内存泄漏问题。接下来让我们了解 GS 的流程控制语句及内容。

1 什么是内存管理​

2 为什么内存管理至关重要​

3 内存管理方式​

3.1 手动内存管理​

3.2 自动内存管理​

4 GS 如何管理内存：自动垃圾回收（GC）​

4.1 基本原理​

4.2 触发机制​

4.3 GC配置​

4.4 引用泄漏​

5 总结​