Стек и куча в Go. Как они работают и взаимодействуют?

В Go, как и во многих других языках, память для переменных выделяется в двух основных областях: стеке и куче.

Стек (Stack)

• Что это: Быстрая, упорядоченная область памяти (работает по принципу LIFO — Last-In, First-Out).
• Для чего: Для хранения локальных переменных функций, аргументов и возвращаемых значений. Каждая горутина имеет свой собственный небольшой стек.
• Преимущества: Выделение и освобождение памяти происходит очень быстро — фактически, это просто смещение указателя стека. Не требует участия сборщика мусора (GC).
• Ограничения: Размер стека ограничен, и он предназначен для данных, время жизни которых известно на этапе компиляции (ограничено вызовом функции).

Куча (Heap)

• Что это: Большая, общая для всех горутин область памяти для динамического выделения.
• Для чего: Для хранения данных, время жизни которых неизвестно на этапе компиляции или которые должны пережить вызов функции, создавшей их.
• Недостатки: Выделение памяти в куче — более медленная операция. Память в куче управляется сборщиком мусора (GC), который периодически сканирует кучу и освобождает неиспользуемые объекты, что может вызывать небольшие паузы в работе приложения.

Взаимодействие: Анализ побега (Escape Analysis)

Ключевой механизм, который связывает стек и кучу, — это анализ побега. Это процесс, который компилятор Go выполняет во время компиляции, чтобы решить, где разместить переменную: на стеке или в куче.

• По умолчанию, Go пытается разместить все переменные на стеке, так как это эффективнее.
• Если компилятор определяет, что на переменную будет существовать ссылка за пределами функции, в которой она была создана, переменная «сбегает» (escapes) в кучу.

Основные причины «побега» в кучу:

1. Возврат указателя на локальную переменную.
2. Сохранение указателя в глобальной переменной или в структуре данных, которая сама находится в куче.
3. Отправка указателя в канал (так как получатель может находиться в другой горутине и пережить отправителя).
4. Размер переменной слишком велик для стека.

Примеры:

// x будет размещена на стеке, так как используется только внутри функции.
func onStack() {
    x := 42
    fmt.Println(x)
}

// y "сбежит" в кучу, так как указатель на неё возвращается из функции.
func toHeap() *int {
    y := 42
    return &y
}

Вывод: Стек обеспечивает скорость для локальных данных с предсказуемым временем жизни, а куча — гибкость для данных с динамическим временем жизни. Escape Analysis — это умная оптимизация компилятора, которая автоматически управляет этим распределением, позволяя разработчику не думать об этом в большинстве случаев, но понимать этот механизм критически важно для написания высокопроизводительного кода.