【Go专家编程——内存管理——内存分配】

1.内存分配

1.1 基础概念

编写过C语言的读者一定指导malloc()函数用于动态申请内存，其中内存分配器使用glic提供的ptmalloc2。

内存分配器

c语言的ptmalloc2
google的tcmalloc
facebook的jemalloc
后两者在避免内存碎片和性能上均比glibc有较大优势，在多线程下更为明显。

Go语言也实现了内存分配器，原理与tcmalloc类似，简单地来说就是维护一块大的全局内存，每个线程（Go中为处理器P）维护一块小的私有内存，私有内存不足时再从全局申请。

为了方便管理，一般上的做法是向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定高度内存分配算法管理内存。以64位操作系统为例，Go程序启动时向系统申请的内容如下。

预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。

arena即所谓的堆区
spans和bitmap是为了管理arena区而存在的
arena区域划分为一个个的page§，每个页的大小为8KB，一共有64M(512GB/8KB)个页
spans区域存放span的指针，每个指针对应一个或多个page。所以spans的大小为64M*8byte = 512MB
bitmap区域的大小也是通过arena计算出来的，不过主要用于GC

1.1.1 span

span是用于管理arena页的关键数据，每个span中包含1个或多个连续页。

为了满足小对象分配，则会将span中的一页划分为更小的粒度
每一页中只存相同类型的对象
对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现

span的数据结构

go 复制代码

type mspan struct{
	next *mspan		//链表后向指针
	prev *mspan		//链表前向指针
	startAddr uintptr		//起始地址，即所管理页的地址
	npages uintptr		//管理的页数
	nelems uintptr		//块个数,即有多少个块可供分配
	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，即块大小
}

1.1.2 cache

有了管理内存的基本单位span，还需要有个结构来管理span。这个数据结构就叫做mcentral，各个线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断地加锁，Go为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即cache。

go 复制代码

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

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。

数组中的每个元素代表一种class类型的span列表
每一种class类型都有两组span列表
- 第一组列表中所表示的对象包含了指针
- 第二组列表中所表示的对象不包含指针
- 目的：对于不包含指针的span列表，不需要去做GC扫描
cache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态地从central中获取并缓存下来。

1.1.3 central

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程的内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。

go 复制代码

type mcentral struct{
	lock	mutex		// 互斥锁
	spanclass spanClass		//span class ID
	nonempty mSpanList		//指还有空闲块的span列表
	empty	mSpanList		//指没有空闲的span列表
	nmalloc uint64		//已累计分配的对象个数
}

lock：线程间的互斥锁，防止多线程读写冲突
spanclass：每个mcentral管理一组有相同class的span列表
nonempty：指还有内存可用的span列表
empty：指没有内存可用的span列表
nmalloc：指累计分配的对象个数

线程从central中获取span的步骤如下：

加锁
从nonempty列表获取一个可用span，并将其从链表中删除
将取出的span放入empty链表
将span返回给线程
解锁
线程将该span缓存进cache

线程将span归还的步骤如下：

加锁
将span从empty列表中删除
将span加入nonempty列表
解锁

1.1.4 heap

由central的数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral，这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中：

go 复制代码

type mheap struct{
	lock mutex
	spans []*mspan
	bitmap uintptr		//指向bitmap的首地址，bitmap是从高地址向低地址递增的
	arena_start uintptr		//指示arena区域的首地址
	arena_used	uintptr		//指示arena区域已使用的地址位置
	central[67*2]struct{
		mcentral mcentral
		pad [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%sys.CacheLineSize] byte
	}
}

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区域的首地址
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

由数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Go就上通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。

2.内存分配的流程

针对待分配对象大小的不同有不同的分配逻辑

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

Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。

以申请size为n的内存为例：

获取当前线程的私有缓存mcache
根据size计算出适合的class的ID
从mcache的alloc[class]链表中查询可用的span
如果mcache中没有可用的span，从mcentral申请一个新的span加入mcache
如果mcahce中也没有可用的span，从mheap中申请一个新的span加入mcentral
从该span中获取空闲对象地址并返回

3.小结

Go的内存分配是一个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理。

Go程序启动时申请了一大块内存，划分为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作为作为线程的私有资源，资源来源于mcentral