golang内存管理简介

go runtime抛弃了传统的内存分配方式，改为自主管理。其内存分配算法主要源自 Google为C语言开发的

TCMalloc算法

。其核心思想是把内存分为多级管理，从而降低锁的粒度 基础概念

go维护着一块大的全局内存；每个调度器（P，Processer）维护一块小的私有内存，不足时再从全局申请。

预申请的内存分为：

(512G/8KB)*8byte=512M

span

span是用于管理arena页的关键数据结构，是内存管理的基本单位，每个span包含一个或多个连续页：

• 为满足小对象分配，span中一页会划分为更小粒度；
• 大对象（超过页大小），则通过多页实现；

每个span用于管理特定的class对象，对象class大小及与span间关系如下图所示：

• class：每个span结构中都有一个class ID，表示此span可处理的对象类型；
• bytes/obj：每个class对应对象的字节数；
• bytes/span：每个span占用堆的字节数；
• objects：每个span可分配对象数；
• waste bytes：每个span的内存碎片（及浪费的内存）；

span中最大对象是32K，超过此大小的由特殊class（class ID为0）表示。

span结构类似：

type mspan struct {
	next *mspan //链表前向指针， 用于将span链接起来
	prev *mspan //链表前向指针， 用于将span链接起来
	startAddr uintptr // 起始地址， 也即所管理页的地址
	npages uintptr // 管理的页数

	nelems uintptr // class对象个数，即可分配出多少个对象

	allocBits *gcBits //分配位图， 每一位代表一个块是否已分配

	allocCount uint16 // 已分配块的个数
	spanclass spanClass // class表中的class ID

	elemsize uintptr // class表中的对象大小， 也即块大小
}

span管理内存如下所示（里面包含class标识与大小，以及分配的数量）：

cache

管理span的数据结构为mcentral，各线程从mcentral管理的span中申请内存；为避免申请内存时加锁，golang为每个线程分配了span的缓存（cache）。

type mcache struct {
	alloc [67*2]*mspan // 按class分组的mspan列表
}

每个class类型都有两组span列表（为提高GC扫描性能：不包含指针的span列表不需要扫描）：

• 第一组：表示的对象包含了指针；
• 第二组：表示的对象不含指针；

根据对象是否包含指针，划分为noscan与scan两类

mchache在初始化时没有任何span，在使用过程中动态从central中获取并缓存。

central

central是全局资源，为多个线程服务（线程内存不足时，向central申请；当线程释放内存时，再放回central）

type mcentral struct {
	lock mutex //互斥锁
	spanclass spanClass // span class ID
	nonempty mSpanList // non-empty 指还有空闲块的span列表
	empty mSpanList // 指没有空闲块的span列表

	nmalloc uint64 // 已累计分配的对象个数
}

线程从central获取span步骤：

• 加锁
• 从nonempty链表中获取可用span，并从链表中删除；
• 将取出的span放入empty链表；
• 将span返回给线程；
• 解锁；
• 线程将span缓存进cache；

heap

mheap代表go程序持有的所有堆空间，golang通过一个mheap全局变量进行内存管理：

mcentralmspanmheapmheapmheapmspanmcentral

mheapmcentralmcachemcentralmspanmcentralmspan

分配过程

针对不同的对象有不同的分配逻辑：

• (0,16B)且不包含指针的对象：Tiny分配；
• (0,16B)包含指针的对象：正常分配；
• [16B,32KB]：正常分配；
• (32KB, -)：大对象分配。

分配size为n的对象步骤：

• 获取当前线程私有缓存mcache；
• 根据size计算出合适的classID；
• 从mcache的alloc[class]链表中查询可用span；
• 若mcache中无可用span，则从mcentral中申请一个新的span放入mcache中；
• 若mcentral中也无可用span，则从mheap中申请一个新的span加入到mcentral中；
• 从span中获取空闲对象地址并返回；