Go语言内置运行时（就是runtime），不同于传统的内存分配方式，go为自主管理，最开始是基于tcmalloc架构，后面逐步迭新。自主管理可实现更好的内存使用模式，如内存池、预分配等，从而避免了系统调用所带来的性能问题。

1. 基本策略

  • 每次从操作系统申请一大块内存，然后将其按特定大小分成小块，构成链表(组织方式是一个单链表数组，数组的每个元素是一个单链表，链表中的每个元素具有相同的大小。)；
  • 为对象分配内存时从大小合适的链表提取一小块，避免每次都向操作系统申请内存，减少系统调用。
  • 回收对象内存时将该小块重新归还到原链表，以便复用；若闲置内存过多，则归还部分内存到操作系统，降低整体开销。

1.1 内存块

　　span：即上面所说的操作系统分配的大块内存，由多个地址连续的页组成；

　　object：由span按特定大小切分的小块内存，每一个可存储一个对象；

　　按照用途，span面向内部管理，object面向对象分配。

关于span

　　内存分配器按照页数来区分不同大小的span，如以页数为单位将span存放到管理数组中，且以页数作为索引；

　　span大小并非不变，在没有获取到合适大小的闲置span时，返回页数更多的span，然后进行剪裁，多余的页数构成新的span，放回管理数组；

　　分配器还可以将相邻的空闲span合并，以构建更大的内存块，减少碎片提供更灵活的分配策略。

分配的内存块大小

　　在$GOROOT/src/runtime/malloc.go文件下可以找到相关信息。

　　用于存储对象的object，按8字节倍数分为n种。如，大小为24的object可存储范围在17~24字节的对象。在造成一些内存浪费的同时减少了小块内存的规格，优化了分配和复用的管理策略。

　　分配器还会将多个微小对象组合到一个object块内，以节约内存。

　　分配器初始化时，会构建对照表存储大小和规格的对应关系，包括用来切分的span页数。

 　　如果对象大小超出特定阈值限制，会被当做大对象（large object）特别对待。

　　这里的对象分类：

  • 小对象（tiny）: size < 16byte;
  • 普通对象： 16byte ~ 32K;
  • 大对象（large）：size > 32K;

1.2 内存分配器

分配器分为三个模块

　　cache：每个运行期工作线程都会绑定一个cache，用于无锁object分配(Central组件其实也是一个缓存，但它缓存的不是小对象内存块，而是一组一组的内存page(一个page占4k大小))。

　　central：为所有cache提供切分好的后备span资源。

　　heap：管理闲置span，需要时间向操作系统申请新内存(堆分配器，以8192byte页进行管理)。

　　一个线程有一个cache对应，这个cache用来存放小对象。所有线程共享Central和Heap。 

虚拟地址空间

　　内存分配和垃圾回收都依赖连续地址，所以系统预留虚拟地址空间，用于内存分配，申请内存时，系统承诺但不立即分配物理内存。虚拟地址分成三个区域：

  • 页所属span指针数组                     spans 512MB              spans_mapped
  • GC标记位图                                bitmap 32GB              bit_map
  • 用户内存分配区域                        arena  512GB              arena_start  arena_used  arena_end

　　三个数组组成一个高性能内存管理结构。使用arena地址向操作系统申请内存，其大小决定了可分配用户内存上限；bitmap为每个对象提供4bit 标记位，用以保存指针、GC标记等信息；创建span时，按页填充对应spans空间。这些区域的相关属性保存在heap里，其中包括递进的分配位置mapped/used。

各个模块关系图如下：

1.3 内存分配流程

从对象的角度：

　　1、计算待分配对象规格大小（size class）;

　　2、cache.alloc数组中找到对应规格的apan；

　　3、span.freelist提取可用object，若该span.freelist为空从central获取新sapn；

　　4、若central.nonempty为空，从heap.free/freelarge获取，并切分成object 链表；

　　5、如heap没有大小合适的闲置span，向操作系统申请新内存块。

释放流程：

　　1、将标记为可回收的object交还给所属span.freelist；

　　2、该span被放回central，可供任意cache重新获取使用；

　　3、如span已回收全部object，则将其交还给heap，以便重新切分复用；

　　4、定期扫描heap里长期闲置的span，释放其占用内存。

　　（注：以上不包括大对象，它直接从heap分配和回收）

 　　cache为每个工作线程私有且不被共享，是实现高性能无锁分配内存的核心。central是在多个cache中提高object的利用率，避免浪费。回收操作将span交还给central后，该span可被其他cache重新获取使用。将span归还给heap是为了在不同规格object间平衡。

2. 内存分配器初始化

　　初始化流程：

大概流程：

　　1、创建对象规格大小对照表；

　　2、计算相关区域大小，并尝试从某个指定位置开始保留地址空间；

　　3、在heap里保存区域信息，包括起始位置和大小；

　　4、初始化heap其他属性。

　　看一下保留地址操作细节：

　　函数mmap()要求操作系统内核创建新的虚拟存储器区域，可指定起始位置和长度。

3. 内存分配

　　编译器有责任尽可能使用寄存器和栈来存储对象，有助于提升性能，减少垃圾回收器的压力。

　　以new函数为例看一下内存分配

 　　在默认有内联优化的时候：                                                                                                                                                                                    

　　内联优化是避免栈和抢占检查这些成本的经典优化方法。

　　在没有内联优化的时候new函数会调用newobject在堆上分配内存。要在两个栈帧间传递对象，因此会在堆上分配而不是返回一个失效栈帧里的数据。而当内联后它实际上就成了main栈帧内的局部变量，无须去堆上操作。

　　GO语言支持逃逸分析（eseape, analysis）, 它会在编译期通过构建调用图来分析局部变量是否会被外部调用，从而决定是否可以直接分配在栈上。

　　编译参数-gcflags "-m" 可输出编译优化信息，其中包括内联和逃逸分析。性能测试时使用go-test-benchemem参数可以输出堆分配次数统计。

3.1 newobject分配内存的过程

　　内置new函数的实现

代码基本思路：

　　1. 判定对象是大对象、小对象还是微小对象。

　　2. 如果是微小对象：

　　　　直接从 mcache 的alloc 找到对应 classsize 的 mspan；

　　　　若当前mspan有足够空间，分配并修改mspan的相关属性（nextFreeFast函数中实现）；

　　　　若当前mspan的空间不足，则从 mcentral重新获取一块 对应 classsize的 mspan，替换原先的mspan，然后分配并修改mspan的相关属性；

　　对于微小对象，它不能是指针，因为多个微小对象被组合到一个object里，显然无法应对辣鸡扫描。其次它从span.freelist获取一个16字节的object，然后利用偏移量来记录下一次分配的位置。

　　3. 如果是小对象，内存分配逻辑大致同微小对象：

　　　　首先查表，以确定 需要分配内存的对象的 sizeclass，并找到 对应 classsize的 mspan；

　　　　若当前mspan有足够的空间，分配并修改mspan的相关属性（nextFreeFast函数中实现）；

　　　　若当前mspan没有足够的空间，从 mcentral重新获取一块对应 classsize的 mspan，替换原先的mspan，然后分配并修改mspan的相关属性；

largeAlloc

　　再看看 mheap_.allo（）函数的实现：