go内存管理

基础概念

Go的内存分配核心思想

Go是内置运行时的编程语言(runtime)，像这种内置运行时的编程语言通常会抛弃传统的内存分配方式，改为自己管理。这样可以完成类似预分配、内存池等操作，以避开系统调用带来的性能问题，防止每次分配内存都需要系统调用。

Go的内存分配的核心思想可以分为以下几点：

每次从操作系统申请一大块儿的内存，由Go来对这块儿内存做分配，减少系统调用
内存分配算法采用Google的TCMalloc算法。算法比较复杂，究其原理可自行查阅。其核心思想就是把内存切分的非常的细小，分为多级管理，以降低锁的粒度。
回收对象内存时，并没有将其真正释放掉，只是放回预先分配的大块内存中，以便复用。只有内存闲置过多的时候，才会尝试归还部分内存给操作系统，降低整体开销

内存结构

go在程序启动时会分配一块虚拟内存地址是连续的内存, 结构如下:

这一块内存分为了3个区域, 在X64上大小分别是512M, 16G和512G, 它们的作用如下:

arena

arena区域就是我们通常说的heap, go从heap分配的内存都在这个区域中.为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；

bitmap

bitmap区域用于表示arena区域中哪些地址保存了对象, 并且对象中哪些地址包含了指针.
bitmap区域中一个byte(8 bit)对应了arena区域中的四个指针大小的内存, 也就是2 bit对应一个指针大小的内存.所以bitmap区域的大小是 512GB / 指针大小(8 byte) / 4 = 16GB.

bitmap区域中的一个byte对应arena区域的四个指针大小的内存的结构如下,
每一个指针大小的内存都会有两个bit分别表示是否应该继续扫描和是否包含指针:

bitmap中的byte和arena的对应关系从末尾开始, 也就是随着内存分配会向两边扩展:

spans

spans区域用于表示arena区中的某一页(Page)属于哪个span, 什么是span将在下面介绍.
spans区域中一个指针(8 byte)对应了arena区域中的一页(在go中一页=8KB).
所以spans的大小是 512GB / 页大小(8KB) * 指针大小(8 byte) = 512MB.

spans区域的一个指针对应arena区域的一页的结构如下, 和bitmap不一样的是对应关系会从开头开始:

span

span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

class

跟据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：

上表中每列含义如下：

class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型
bytes/obj：该class代表对象的字节数
bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数*页大小
objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）
waste bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）

上表可见部分大小的对象在分配时会浪费一定的空间.

有人可能会注意到, 上面最大的span的元素大小是32K, 那么分配超过32K的对象会在哪里分配呢?
超过32K的对象称为”大对象”, 分配大对象时, 会直接从heap分配一个特殊的span,
这个特殊的span的类型(class)是0, 只包含了一个大对象, span的大小由对象的大小决定.

特殊的span加上的66个标准的span, 一共组成了67个span类型.

内存管理组件

go的内存管理组件主要有：mspan、mcache、mcentral和mheap

mspan为内存管理的基础单元，直接存储数据的地方。
mcache：每个运行期的goroutine都会绑定的一个mcache(具体来讲是绑定的GMP并发模型中的P，所以可以无锁分配mspan，后续还会说到)，mcache会分配goroutine运行中所需要的内存空间(即mspan)。
mcentral为所有mcache切分好后备的mspan
mheap代表Go程序持有的所有堆空间。还会管理闲置的span，需要时向操作系统申请新内存。

mspan

src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：

span和管理的内存如下图所示：（以class 10为例）

spanclass为10，参照class表可得出npages=1,nelems=56,elemsize为144。其中startAddr是在span初始化时就指定了某个页的地址。allocBits指向一个位图，每位代表一个块是否被分配，本例中有两个块已经被分配，其allocCount也为2。

next和prev用于将多个span链接起来，这有利于管理多个span

mcache

mcache：每个工作线程都会绑定一个mcache，本地缓存可用的mspan资源，这样就可以直接给Goroutine分配，因为不存在多个Goroutine竞争的情况，所以不会消耗锁资源。

mcache的结构体定义：

mcache用Span Classes作为索引管理多个用于分配的mspan，它包含所有规格的mspan。它是_NumSizeClasses的2倍，也就是67*2=134，为什么有一个两倍的关系，前面我们提到过：为了加速之后内存回收的速度，数组里一半的mspan中分配的对象不包含指针，另一半则包含指针。

mcache在初始化的时候是没有任何mspan资源的，在使用过程中会动态地从mcentral申请，之后会缓存下来。当对象小于等于32KB大小时，使用mcache的相应规格的mspan进行分配。

mcentral

mcentral：为所有mcache提供切分好的mspan资源。每个central保存一种特定大小的全局mspan列表，包括已分配出去的和未分配出去的。每个mcentral对应一种mspan，而mspan的种类导致它分割的object大小不同。当工作线程的mcache中没有合适（也就是特定大小的）的mspan时就会从mcentral获取。

mcentral被所有的工作线程共同享有，存在多个Goroutine竞争的情况，因此会消耗锁资源。结构体定义：

empty表示这条链表里的mspan都被分配了object，或者是已经被cache取走了的mspan，这个mspan就被那个工作线程独占了。而nonempty则表示有空闲对象的mspan列表。每个central结构体都在mheap中维护。

简单说下mcache从mcentral获取和归还mspan的流程：

获取

加锁；

从nonempty链表找到一个可用的mspan；并将其从nonempty链表删除；

将取出的mspan加入到empty链表；将mspan返回给工作线程；

解锁。

归还

加锁；

将mspan从empty链表删除；

将mspan加入到nonempty链表；

解锁。

mheap

mheap：代表Go程序持有的所有堆空间，Go程序使用一个mheap的全局对象_mheap来管理堆内存。

当mcentral没有空闲的mspan时，会向mheap申请。而mheap没有资源时，会向操作系统申请新内存。mheap主要用于大对象的内存分配，以及管理未切割的mspan，用于给mcentral切割成小对象。

同时我们也看到，mheap中含有所有规格的mcentral，所以，当一个mcache从mcentral申请mspan时，只需要在独立的mcentral中使用锁，并不会影响申请其他规格的mspan。

mheap结构体定义：

lock：互斥锁
spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系
bitmap：bitmap的起始地址
arena_start: arena区域首地址
arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址
central: 每种class对应的两个mcentral

从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。

mheap内存管理示意图如下：

内存分配过程

Go的内存分配器在分配对象时，根据对象的大小，分成三类：小对象（小于等于16B）、一般对象（大于16B，小于等于32KB）、大对象（大于32KB）。

大体上的分配流程：

32KB 的对象，直接从mheap上分配；
<=16B 的对象使用mcache的tiny分配器分配；
(16B,32KB] 的对象，首先计算对象的规格大小，然后使用mcache中相应规格大小的mspan分配；
- 如果mcache没有相应规格大小的mspan，则向mcentral申请
- 如果mcentral没有相应规格大小的mspan，则向mheap申请
- 如果mheap中也没有合适大小的mspan，则向操作系统申请

总结

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。

Golang程序启动时申请一大块内存，并划分成spans、bitmap、arena区域
arena区域按页划分成一个个小块
span管理一个或多个页
mcentral管理多个span供线程申请使用
mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral