Golang内存分配实现分析

引言

golang是谷歌2009年发布的开源编程语言，截止目前go的release版本已经到了1.12，golang 语言专门针对多处理器系统应用程序的编程进行了优化，使用 golang 编译的程序可以媲美 C /C++代码的速度，而且更加安全、支持并行进程。和其他“高级语言”一样，golang同样有一套自己的内存管理机制，自主的去完成内存分配、垃圾回收、内存管理等过程，从而避免频繁的向操作系统申请、释放内存，有效的提升go语言的处理性能。由于篇幅有限，本文重点针对golang1.12.6版本就内存分配情况进行一下梳理和讲解。golang的内存管理是基于tcmalloc模型设计，但又有些差异，局部缓存并不是分配给进程或者线程，而是分配给P（Processor）；golang的GC是stop the world，并不是每个进程单独进行GC；golang语言对span的管理更有效率。
在进入正题之前，我们先回顾一下c语言内存是如何申请的，常用方式是调用malloc函数，指定要分配的大小，直接向操作系统申请，那我们来思考一下这种方式有没有什么问题？它会涉及到用户态和内核态的切换过程，那么频繁的进行用户态和内核态切换就会带来很大的耗时，导致性能下降，因此我们必须从语言层面找一种方式减少这么操作，那就是自己做一套内存管理机制。
就内存管理来说，如果要让我们去设计，思考一下都需要哪些功能模块才能保证高效稳定？

• 内存池：要减少用户态和内核态的频繁切换就需要自己申请一块内存空间，将之分割成大小规格不同的内存块来供程序使用，内存池是再适合不过的组成部分了。
• GC：内存管理不光需要使用方便，还要保证内存使用过程能够节约，毕竟整个系统的内存资源是有限的，那么就需要GC进行动态的垃圾回收，销毁无用的对象，释放内存来保证整个程序乃至系统运行平稳。
• 锁：一个应用程序内部之间存在大量的线程，线程之间资源是共享的，那么要保证同一块内存使用过程不出现复用或者污染，就必须保证同一时间只能有一个线程进行申请，第一个想到的肯定是锁，对公共区域的资源一定要加锁，另一种方式就是内存隔离，这个在golang的mcache中会有体现。

下面我们进入正题，基于上面分析的问题对golang进行一下研究，看看golang到底怎么管理内存的。

基本概念

什么是span

首先我们来介绍一下span的概念，span是golang内存管理的基本单位，每个span管理指定规格（以page为单位）的内存块，内存池分配出不同规格的内存块就是通过span体现出来的，应用程序创建对象就是通过找到对应规格的span来存储的，下面我们看一下mspan的结构。

go1.12.6\src\runtime\mheap.go


根据源码和上图结合来看，会更加容易理解mspan，每一个mspan就是用来给程序分配对象空间的，也就是说一般我们对象都会放到mspan中管理，这里我们重点解释一下如图所示的几个属性，startAddr 是该mspan在arena区域的首地址，freeindex 用来表示下一个可能是空对象的位置，也就是说freeindex之前的元素（存储对象的空间）均是已经被使用的，freeindex之后的元素可能被使用可能没被使用，allocCache是从freeindex开始对后续元素分配情况进行缓存标记，通过freeindex和allocCache结合进行查找未分配的元素位置效率会更高，我们能快速的找到一个空对象分配给程序使用，而不用全局遍历。allocBits用来标识该span中所有元素的使用分配情况，gcmarkBits 用来sweep过程进行标记垃圾对象的，用于后续gc。

怎么区分span

那么要想区分不同规格的span，我们必须要有一个标识，每个span通过splanclass标识属于哪种规格的span，golang的span规格一共有67种，具体查看
go1.12.6\src\runtime\sizeclasses.go，可看到下图的规格表

其中：

• class： 分类id或者规格id，也就是spanclass, 表示该span可存储的对象规格类型
• bytes/obj：该列代表能存储每个对象的字节数，也就是说可以存储多大的对象，字段是elemsize
• bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数页大小，npages8KB
• objects: 每个span可分配的元素个数，或者说可存储的对象个数，也就是nelems，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）
• tail bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/span）%（bytes/obj）
• max waste：最大浪费比例，（bytes/obj-最小使用量）*objects/(bytes/span)*100,比如classId=2 最小使用量是9bytes，则max waste=（16-9）512/8192100=43.75%
  通过上表，我们可以很清楚的知道在创建一个对象时候，需要去选哪一个splanclass的

span去获取内存空间，一个span能存多少这样大小的对象等等信息，非常清晰而又尽可能节约的去使用内存。另外上表可见最大的对象是32KB大小，超过32KB大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。所以上面只有列出了1-66。

内存管理组件

阐述完一些基本概念,我们可以知道对象是存在span中，大家肯定会疑惑那span放在哪，怎么把这些各种规格孤立的span串起来？下面我们来说一下golang的内存管理组件，内存分配是由内存分配器完成，分配器由3种组件构成：mcache、mcentral、mheap，我们来详细讲一下每个组件。

我们知道golang之所有有很强的并发能力，依赖于它的G-P-M并发模型，

mcache

mcache就绑在并发模型的P上，也就是说我们每一个P都会有一个mcahe绑定，用来给协程分配对象存储空间的。下面具体看一下mcache的结构
go1.12.6\src\runtime\mcache.go

可以看到在mcache结构体中并没有锁存在，这是因为每个P都会绑定一个mcache，而每个P同时只会处理一个groutine，而且不同P之间是内存隔离的，因此不存在竞争情况。关键字段都已经在代码中解释了，这里我们重点关注一下 alloc [numSpanClasses]*mspan，由于SpanClasses一共有67种，为了满足指针对象和非指针对象，这里为每种规格的span同时准备scan和noscan两个，因此一共有134个mspan缓存链表，分别用于存储指针对象和非指针对象，这样对非指针对象扫描的时候不需要继续扫描它是否引用其他对象，GC扫描对象的时候对于noscan的span可以不去查看bitmap区域来标记子对象, 这样可以大幅提升标记的效率。另外mcache在初始化时是没有任何mspan资源的，在使用过程中会动态地申请，不断的去填充 alloc[numSpanClasses]*mspan，通过双向链表连接，如下图所示：

通过图示我们可以看到alloc[numSpanClasses]*mspan管理了很多不同规格不同类型的span，golang对于[16B,32KB]的对象会使用这部分span进行内存分配，所以所有在这区间大小的对象都会从alloc这个数组里寻找，看下源码：

而对于更小的对象，我们叫它tiny对象，golang会通过tiny和tinyoffset组合寻找位置分配内存空间，这样可以更好的节约空间。源码如下：

mcentral

刚才我们提到mcache中的mspan都是动态申请的，那到底是去哪里申请呢？其实当空间不足的时候，mcache会去mcentral中申请对应规格的mspan，我们来继续看一下mcentral，先来看一下结构，go1.12.6\src\runtime\mcentral.go

看到mcentral的结构体会觉得很简单，首先与mcache有一个明显区别，就是有锁存在，由于mcentral是公共资源，会有多个mcache向它申请mspan，因此必须加锁，另外，mcentral与mcache不同，由于P绑定了很多Goroutine，在P上会处理不同大小的对象，mcache就需要包含各种规格的mspan，但mcentral不同，同一个mcentral只负责一种规格的mspan就够了，mcache就像一个市政府,mcentral就像国家部委，市政府需要管管辖区域内的所有方面的事情，而每个部委很专一，只管一方面，市政府需要哪方面资源，就去和对应部委对接就可以了。mcentral也是用spanclass 进行标记规格类型，该规格的所有未被使用的空闲mspan会挂载到nonempty 链表上，已经被mcache拿走，未归还的会挂载到empty 链表上，归还后会再挂载到nonempty上，用图表示如下，以规格sizeClass=1为例：

每一个mSpanList都挂着同一规格mspan双向链表，当然这个链表也不是固定大小的，都会动态变化的。

mheap

mcentral 的nonempty也有用完的时候，当nonempty为空，再被申请的时候，也就是mcentral空间不足了，那么它会向mheap申请新的页，下面我们看一下mheap结构。
go1.12.6\src\runtime\mheap.go

通个看这个结构，可以感觉到mheap相对复杂一些，重要字段我已经在代码中注释，我们知道每个golang程序启动时候会向操作系统申请一块虚拟内存空间，仅仅是虚拟内存空间，真正需要的时候才会发生缺页中断，向系统申请真正的物理空间，在golang1.11版本以后，申请的内存空间会放在一个heapArena数组里，由arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena表示，用于应用程序内存分配，下面展示一下数组中一块heapArena虚拟内存空间区域分配，

分为三个区域，分别是：

• spans区域：存放span指针地址的地方，每个指针大小是8Byte
• bitmap区域：用于标记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，主要用于GC
• arena区域：heap区域，程序内存分配的地方，管理的最小基本单位是页，golang一个page的大小是：8KB

下面看一下每个区域的大小情况
heapArena结构体如下：

关键字段计算定义如下：

通过源码可以看出spans大小等于arenaSize/8KB，可以理解为有多少page就准备出对应数量的“地址格子”，来充分保证能存下所有的span地址。
对于bitmap区域，由于bitmap是用来标记每个地址空间的使用情况，我们知道指针大小是8Byte，因此需要arenaSize/8个，一个bitmap可以标记四个地址，因此再除4。

如上图所示，是bitmap区域一个字节对arena区域的标记情况情况，高四位标记四个内存地址使用情况，低四位标记存储的是否是指针。对于arenaSize，根据源码公式，在64位非windows系统分配大小是64MB，windows 64位是4MB。
介绍完三个区域，我们再来看一下central [numSpanClasses]，它就是管理的所有规格mcentral的集合，同样是134种，pad对齐填充用于确保 mcentrals 以 CacheLineSize 个字节数分隔，所以每一个 MCentral.lock 都可以获取自己的缓存行。而fixalloc类型的相关成员都是用来分配span、mache等对象的内存分配器，这里大家不要搞晕，具体来讲，以span举例，每一个span也需要空间存储，这个就是在spanalloc这个二叉树堆上存储，拿到这个对象，将startAddr 指向arena区域内的npages的内存空间才是给mcache使用的，或者说给P进行对象分配的。另外，由于mheap也是公共资源，一定也要有锁的存在。
下面结合图看一下：

从上图可以更清楚的看到，一个mheap会有134种mcentral，而每一种规格的mcentral会挂载该规格的mspan链表。
前面我们讲过tiny对象和小对象的内存分配，那大于 32KB 的对象怎么办呢？golang将大于32KB的对象定义为大对象，直接通过 mheap 分配。这些大对象的申请是以一个全局锁为代价的，所以同时只能服务一个P申请，大对象内存分配一定是页（8KB）的整数倍。结合源码再看一下：

可以看出不管多大对象，一切的空间都是从mheap获取的，那mheap要是不足了呢？就只能向操作系统申请了。

内存分配规则

讲完内存管理组件，我们再来总结一下内存分配规则：

• tiny对象内存分配，直接向mcache的tiny对象分配器申请，如果空间不足，则向mcache的tinySpanClass规格的span链表申请，如果没有，则向mcentral申请对应规格mspan，依旧没有，则向mheap申请，最后都用光则向操作系统申请。
• 小对象内存分配，先向本线程mcache申请，发现mspan没有空闲的空间，向mcentral申请对应规格的mspan，如果mcentral对应规格没有，向mheap申请对应页初始化新的mspan，如果也没有，则向操作系统申请，分配页。
• 大对象内存分配，直接向mheap申请spanclass=0，如果没有则向操作系统申请。
  流程图如下：
  
  部分内存申请源码源码如下：
  mcache向mcentral申请，调用go1.12.6\src\runtime\mcache.go refill方法
  
  mcentral空间不足，向mheap申请分配页创建新的mspan，调用go1.12.6\src\runtime\mcental.go grow方法
  
  mheap空间不足会调用go1.12.6\src\runtime\mheap.go grow方法进行系统申请
  

gc改进

通过上节流程图和代码，我们可以清晰的知道一个对象内存申请的整个过程，那思考一下这个流程是否完善，我们都知道golang通过gc进行垃圾回收，而完整的gc需要两次stop the world，如果我们完全依赖gc去垃圾回收是不是影响整个程序的性能，我们假设一个场景，mcentral的span一直不够用，那会不断的去向mheap去申请page空间，导致mheap的使用率很快就触发到gc的阈值，启动gc处理过程，频繁的gc就会导致频繁的程序停服，极大的会影响程序服务性能，那golang的做法是怎么样的呢？，在1.12版本里面golang对mheap结构添加了reclaimCredit 成员变量，每次mcentral向mheap申请新的page空间创建span的时候，都会先去扫描arenas里面的heapArena，去清理垃圾对象回收相同page数量的空间，由于扫描到的垃圾对象不可能正好等于相同page，多清理的page大小就会存到到reclaimCredit里面，下一次再扫描arenas的时候会先去抵消reclaimCredit，如果不够才会去扫描heapArena。通过这种方式有效的防止mheap使用率过快增长，下面是整个流程图：

同理，我们知道当mheap不够用的时候，会去向操作系统申请内存空间，如果增长过快，也会造成整个操作系统的不稳定，golang对这部分也做了处理，1.12版本mheap引入scavengeCredit 这个成员变量，当向操作系统申请内存空间的时候，会先去扫描free这个二叉树堆,span从大到小的扫描，释放所需大小的空间给os，多余释放的到小会存储到scavengeCredit中，下次再次扫描的时候会先扣除这个值。下面是整个流程图：

结尾

到此也就基本讲完了golang的内存分配的整个环节，本文也是受php内存管理启发，进行了一下golang源码深入研究，由于篇幅关系并没有把源码中的各种细节进行详细讲解，仅对整体流程进行梳理和阐述，对关键源码进行注释和解释，希望能给对golang感兴趣的伙伴给予一定帮助，如需更具体的了解，可以根据这个大流程进行源码学习。本文基于1.12.6版本源码一点点梳理，不足之处还请各位不吝雅正。

参考文献

【1】https://mp.weixin.qq.com/s/CL5ygUhD6UdDCE0H1IfBeA