Go运行时：4年之后

自 2018 年以来，Go GC，以及更广泛的 Go 运行时，一直在稳步改进。近日，Go 社区总结了 4 年来 Go 运行时的一些重要变化。

这些重要变化主要是：

sync.Pool 是一种 GC 感知的重用内存的工具，具有较低的延迟影响，并且能够比之前更有效地回收内存。(Go 1.13)

Go 运行时能够更主动地将不需要的内存返回给操作系统，减少了内存消耗和出现内存不足的可能性。这将减少最高 20% 的空闲内存消耗。(Go 1.13 和 1.14)

在许多情况下，Go 运行时能够更容易地抢占 goroutine，最高可减少 90% 的 stop-the-world 延迟。(Go 1.14)

Go 运行时能够比以前更有效地管理计时器，特别是在拥有多核 CPU 的机器上。(Go 1.14)

在大多数情况下，现在使用 defer 语句的函数调用的开销与常规函数调用一样少。点击这里观看 Gophercon 2020 的相关演讲。(Go 1.14)

内存分配器的慢路径对 CPU 核心的伸缩性更好，将吞吐量提升了最多 10%，并将尾部延迟降低了最多 30%，特别是在高度并行的程序中。(Go 1.14 和 1.15)

Go 内存统计数据现在可以通过更细粒度、更灵活、更高效的 API(runtime/metrics 包)来访问。这将获取运行时统计信息的延迟减少了两个数量级(从毫秒到微秒)。(Go 1.16)

Go 调度器在寻找新任务时花费的 CPU 时间减少了 30%。(Go 1.17)

Go 代码现在在 amd64、arm64 和 ppc64 上遵循基于寄存器的调用约定，将 CPU 效率提升了最多 15%。(Go 1.17 和 1.18)

Go GC 的内部审计和调度已经进行了重新设计，解决了长期存在的各种与效率和健壮性相关的问题。对于 goroutine 占内存使用很大一部分的应用程序来说，这显著降低了应用程序的尾部延迟(最高达 66%)。(Go 1.18)

Go GC 现在在应用程序空闲时会限制自己的 CPU 使用。这将空闲应用程序的 GC 周期的 CPU 使用降低了 75%，从而减少可能导致作业调度器混淆的 CPU 峰值。(Go 1.19)

这些变化对用户来说大多是看不见的——他们只需要升级 Go，就可以看到他们所熟悉和喜爱的 Go 代码运行得更好了。

一个新的“旋钮”Go 1.19 带来了一个期待已久的特性，使用这个特性需要做一些额外的工作，但它具备很大的潜力：Go 运行时的软内存限制。

多年来，Go GC 只有一个调优参数——GOGC。GOGC 允许用户在 CPU 开销和内存开销之间做出权衡。多年来，这个“旋钮”为 Go 社区提供了很好的服务，被用在各种各样的场景中。

Go 运行时团队一直不愿意在 Go 运行时中添加新的旋钮，他们的理由很充分——每个新的旋钮代表了配置空间中的一个新的维度，我们需要对其进行测试和维护，而且可能要永远持续下去。旋钮的激增也给 Go 开发人员增加了理解和使用它们的负担，随着旋钮的增多，情况会变得愈加困难。因此，Go 运行时总是倾向于用最小配置实现合理的行为。

那么为什么要添加内存限制旋钮呢?

内存不像 CPU 时间那么具有可互换性。对于 CPU 时间，如果稍等片刻，将来总会得到更多的 CPU 时间。但对于内存，你所拥有的总是有限的。

内存限制解决了两个问题。

首先，当应用程序的内存使用峰值不可预测时，仅靠 GOGC 几乎无法防止内存被耗尽。如果只使用 GOGC，Go 运行时根本不知道它有多少可用的内存。通过设置内存限制，运行时能够意识到什么时候需要更努力地工作以减少内存开销，从而使运行时能够健壮地应对瞬时的、可恢复的负载峰值。

第二是为了避免不使用内存限制时出现的内存不足。我们必须根据内存峰值调优 GOGC，而为了保持较低的内存开销会导致更高的 GC CPU 开销，即使应用程序没有处于内存使用峰值且有足够的可用内存。这在容器化的环境中尤其重要。在容器化的环境中，程序被部署在具有独立预留内存的容器中。设置内存限制可以为峰值负载提供保护，并可以针对 CPU 开销更主动地调优 GOGC。

内存限制的设计旨在易用性和健壮性。例如，它是对应用程序中 Go 部分的整个内存占用的限制，而不仅仅是 Go 的堆，因此用户不需要额外计算 Go 运行时的开销。运行时还会根据内存限制调整其内存清除策略，以便在内存出现压力时更主动地将内存返回给操作系统。

虽然内存限制是一个强大的工具，但在使用时仍然要谨慎。其中一个需要注意的地方是，它会让你的程序陷入 GC 抖动状态——在这种状态下，程序运行 GC 的时间过多，导致没有足够的时间来处理其他任务。例如，如果内存限制设置得比程序实际需要的内存少，Go 程序可能会崩溃。以前不太可能出现 GC 抖动，除非显式对 GOGC 进行了大量调优。我们选择让内存耗尽而不是陷入抖动状态，因此作为一种缓解措施，运行时将 GC 限制为总 CPU 时间的 50%，即使这样会超过内存限制。

所有这些都需要慎重考虑，因此，作为这项工作的一部分，我们发布了一个新的 GC 指南，其中包含了交互式可视化的图表，以帮助你们理解 GC 成本以及如何操作它们。

审核编辑：汤梓红