Golang 内存组件之mspan、mcache、mcentral 和 mheap 数据结构

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Golang中的内存部件组成关系如下图所示

golang 内存分配组件

在学习golang 内存时，经常会涉及几个重要的数据结构，如果不熟悉它们的情况下，理解它们就显得格外的吃力，所以本篇主要对相关的几个内存组件做下数据结构的介绍。

在 Golang 中，mcache、mcentral 和 mheap 是内存管理的三大组件，mcache 管理线程在本地缓存的 mspan，页 mcentral 管理着全局的 mspan 为所有 mcache 提供所有线程。

根据分配对象的大小，内部会使用不同的内存分配机制，详细参考函数 mallocgo()

• <16b 会使用微小对象内存分配器，主要使用 mcache.tinyXXX 这类的字段
• 16-32b 从P下面的 mcache 中分配
• >32b 直接从 mheap 中分配

对于golang中的内存申请流程，大家应该都非常熟悉了，这里不再进行详细描述。

mcache

在GPM关系中，会在每个 P 下都有一个 mcache 字段，用来表示内存信息。

在 Go 1.2 版本前调度器使用的是 GM 模型，将mcache 放在了 M 里，但发现存在诸多问题，期中对于内存这一块存在着巨大的浪费。每个M 都持有 mcache 和 stack alloc，但只有在 M 运行 Go 代码时才需要使用的内存(每个 mcache 可以高达2mb)，当 M 在处于 syscall 或 网络请求 的时候是不需要的，再加上 M 又是允许创建多个的，这就造成了很大的浪费。所以从go 1.3版本开始使用了GPM模型，这样在高并发状态下，每个G只有在运行的时候才会使用到内存，而每个 G 会绑定一个P，所以它们在运行只占用一份 mcache，对于 mcache 的数量就是P 的数量，同时并发访问时也不会产生锁。

对于 GM 模型除了上面提供到内存浪费的问题，还有其它问题，如单一全局锁sched.Lock、goroutine 传递问题和内存局部性等。

在P中，一个 mcache 除了可以用来缓存小对象外，还包含一些本地分配统计信息。由于在每个P下面都存在一个 ·mcache· ，所以多个 goroutine 并发请求内存时是无锁的。

当申请一个 16b 大小的内存时，会优先从运行当前G所在的P里的mcache字段里找到相匹配的mspan 规格，此时最合适的是图中 mspan3 规格。

mcache是从非GC内存中分配的，所以任何一个堆指针都必须经过特殊处理。源码文件：https://github.com/golang/go/blob/go1.16.2/src/runtime/mcache.go

type mcache struct {
    // 下方成员会在每次访问malloc时都会被访，所以为了更加高效的缓存将按组其放在这里
    nextSample uintptr // trigger heap sample after allocating this many bytes
    scanAlloc  uintptr // bytes of scannable heap allocated

    // 小对象缓存，<16b。推荐阅读"Tiny allocator"注释文档
    tiny       uintptr
    tinyoffset uintptr
    tinyAllocs uintptr

    // 下方成员不会在每次 malloc 时被访问
    alloc [numSpanClasses]*mspan // spans to allocate from, indexed by spanClass

    stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist

    flushGen uint32
}

• nextSample 分配多少大小的堆时触发堆采样;
• scannAlloc 分配的可扫描堆字节数;
• tiny 堆指针，指向当前 tiny 块的起始指针，如果当前无tiny块则为nil。在终止标记期间，通过调用 mcache.releaseAll() 来清除它;
• tinyoffset 当前tiny 块的位置;
• tinyAllocs 拥有当前 mcache 的 P 执行的微小分配数;
• alloc [numSpanClasses]*mspan 当前P的分配规格信息，共 numSpanClasses = _NumSizeClasses << 1 种规格
• stackcache 内存规格序号，按 spanClass 索引，参考这里;
• flushGen 表示上次刷新 mcache 的 sweepgen（清扫生成）。如果 flushGen != mheap_.sweepgen 则说明 mcache 已过期需要刷新，需被被清扫。在 acrequirep 中完成;

mcache.tiny 是一个指针，当申请对象大小为 <16KB 的时候，会使用 Tiny allocator 分配器，会根据tiny、tinyoffset 和 tinyAllocs 这三个字段的情况进行申请。

span 大小规格数据共有 67 类。源码里定义的虽然是 _NumSizeClasses = 68 类，但其中包含一个大小为 0 的规格，此规格表示大对象，即 >32KB，此种对象只会分配到heap上，所以不可能出现在 mcache.alloc 中。

mcache.alloc 是一个数组，值为 *spans 类型，它是 go 中管理内存的基本单元。对于16-32 kb大小的内存都会使用这个数组里的的 spans 中分配。每个span存在两次，一个不包含指针的对象列表和另一个包含指针的对象列表。这种区别将使垃圾收集的工作更容易，因为它不必扫描不包含任何指针的范围。

mspan

mspan 是分配内存时的基本单元。当分配内存时，会在mcache中查找适合规格的可用 mspan，此时不需要加锁，因此分配效率极高。
Go将内存块分为大小不同的 67 种，然后再把这 67 种大内存块，逐个分为小块(可以近似理解为大小不同的相当于page)称之为span(连续的page)，在go语言中就是上文提及的mspan。

对象分配的时候，根据对象的大小选择大小相近的span。

spans 与 mcache 的关系如下图所示

// mSpanList heads a linked list of spans.
// 指向spans链表
//go:notinheap
type mSpanList struct {
    first *mspan // first span in list, or nil if none
    last  *mspan // last span in list, or nil if none
}

//go:notinheap
type mspan struct {
    next *mspan     // next span in list, or nil if none
    prev *mspan     // previous span in list, or nil if none
    list *mSpanList // For debugging. TODO: Remove.

    startAddr uintptr // address of first byte of span aka s.base()
    npages    uintptr // number of pages in span

    manualFreeList gclinkptr // list of free objects in mSpanManual spans

    freeindex uintptr

    nelems uintptr // number of object in the span.

    allocCache uint64

    allocBits  *gcBits
    gcmarkBits *gcBits

    // sweep generation:
    // if sweepgen == h->sweepgen - 2, the span needs sweeping
    // if sweepgen == h->sweepgen - 1, the span is currently being swept
    // if sweepgen == h->sweepgen, the span is swept and ready to use
    // if sweepgen == h->sweepgen + 1, the span was cached before sweep began and is still cached, and needs sweeping
    // if sweepgen == h->sweepgen + 3, the span was swept and then cached and is still cached
    // h->sweepgen is incremented by 2 after every GC

    sweepgen    uint32
    divMul      uint16        // for divide by elemsize - divMagic.mul
    baseMask    uint16        // if non-0, elemsize is a power of 2, & this will get object allocation base
    allocCount  uint16        // number of allocated objects
    spanclass   spanClass     // size class and noscan (uint8)
    state       mSpanStateBox // mSpanInUse etc; accessed atomically (get/set methods)
    needzero    uint8         // needs to be zeroed before allocation
    divShift    uint8         // for divide by elemsize - divMagic.shift
    divShift2   uint8         // for divide by elemsize - divMagic.shift2
    elemsize    uintptr       // computed from sizeclass or from npages
    limit       uintptr       // end of data in span
    speciallock mutex         // guards specials list
    specials    *special      // linked list of special records sorted by offset.
}

mSpanList 是一个mspans链表，这个很好理解。重点看下 mspan 结构体

• next 指向下一个span的指针，为nil表示没有
• prev 指向上一个span的指针，与next相反
• list 指向mSpanList，调试使用，以后会废弃
• startAddr span第一个字节地址，可通过 s.base() 函数读取
• npages span中的页数（一个span 是由多个page组成的，与linux中的页不是同一个概念）
• manualFreeList 在 mSpanManual spans中的空闲对象的列表

• freeindex 标记0~nelems之间的插槽索引，标记的的是在span中的下一个空闲对象;

  每次分配内存都从 `allocBits` 的 `freeindex` 索引位置开始，直到遇到 `0` ,表示空闲对象，然后调整 `freeindex` 使得下一次扫描能跳过上一次的分配；
  若 `freeindex==nelem`，则当前span没有了空余对象；
  allocBits 是对象在span中的位图；
  如果 `n >= freeindex and allocBits[n/8] & (1<<(n%8)) == 0` , 那么对象n是空闲的；
  否则，对象 n 表示已被分配。从 elem 开始的是未定义的，将不应该被定义；

• nelems span中对象数（page是内存存储的基本单元, 一个span由多个page组成，同时一个对象可能占用一个或多个page)
• allocCache 在 freeindex 位置的 allocBits 缓存
• allocBits 标记span中的elem哪些是被使用的，哪些是未被使用的；清除后将释放 allocBits ，并将 allocBits 设置为 gcmarkBits。
• gcmarkBits 标记span中的elem哪些是被标记了的，哪些是未被标记的

mcentral

mentral 是一个空闲列表。

实际上 mcentral 它并不包含空闲对象列表，真正包含的是 mspan 。

每个mcentral 是两个 mspans 列表：空闲对象 c->notempty 和 完全分配对象 c->empty，如图所示

当申请一个 16b 大小的内存时，如果 p.mcache 中无可用大小内存时，则它找一个最合适的规则 mcentral 查找，如图所示这时会在存放16b大小的 mcentral 中的 notempty 里查找。

文件源码：https://github.com/golang/go/blob/go1.16.2/src/runtime/mcentral.go

type mcentral struct {
    spanclass spanClass
    partial [2]spanSet // list of spans with a free object
    full    [2]spanSet // list of spans with no free objects
}

• spanClass 指当前规格大小
• partial 存在空闲对象spans列表
• full 无空闲对象spans列表

其中 partial 和 full 都包含两个 spans 集数组。一个用在扫描 spans,另一个用在未扫描spans。在每轮GC期间都扮演着不同的角色。mheap_.sweepgen 在每轮gc期间都会递增2。

partial 和 full 的数据类型为 spanSet，表示 *mspans 集。

type spanSet struct {
    spineLock mutex
    spine     unsafe.Pointer // *[N]*spanSetBlock, accessed atomically
    spineLen  uintptr        // Spine array length, accessed atomically
    spineCap  uintptr        // Spine array cap, accessed under lock

    index headTailIndex
}

对 mcentral 的初始化如下

// Initialize a single central free list.
func (c *mcentral) init(spc spanClass) {
    c.spanclass = spc
    lockInit(&c.partial[0].spineLock, lockRankSpanSetSpine)
    lockInit(&c.partial[1].spineLock, lockRankSpanSetSpine)
    lockInit(&c.full[0].spineLock, lockRankSpanSetSpine)
    lockInit(&c.full[1].spineLock, lockRankSpanSetSpine)
}

mheap

还是上面的例子，假如申请 16b 内存时，依次经过 mcache 和 mcentral 都没有可用适宜规则的大小内存，这时候会向 mheap 申请一块内存。然后按指定规格划分为一些列表，并将其添加到相同规格大小的 mcentral 的 not empty list 后面；

Go 没法使用工作线程的本地缓存 mcache 和全局中心缓存 mcentral 上管理超过32KB的内存分配，所以对于那些超过32KB的内存申请，会直接从堆上(mheap)上分配对应的数量的内存页(每页大小是8KB)给程序。

type mheap struct {
    // lock must only be acquired on the system stack, otherwise a g
    // could self-deadlock if its stack grows with the lock held.
    lock      mutex
    pages     pageAlloc // page allocation data structure
    sweepgen  uint32    // sweep generation, see comment in mspan; written during STW
    sweepdone uint32    // all spans are swept
    sweepers  uint32    // number of active sweepone calls

    allspans []*mspan // all spans out there

    _ uint32 // align uint64 fields on 32-bit for atomics

    // Proportional sweep
    pagesInUse         uint64  // pages of spans in stats mSpanInUse; updated atomically
    pagesSwept         uint64  // pages swept this cycle; updated atomically
    pagesSweptBasis    uint64  // pagesSwept to use as the origin of the sweep ratio; updated atomically
    sweepHeapLiveBasis uint64  // value of heap_live to use as the origin of sweep ratio; written with lock, read without
    sweepPagesPerByte  float64 // proportional sweep ratio; written with lock, read without

    scavengeGoal uint64

    // Page reclaimer state
    // This is accessed atomically.
    reclaimIndex uint64

    // This is accessed atomically.
    reclaimCredit uintptr

    arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena

    heapArenaAlloc linearAlloc

    arenaHints *arenaHint

    arena linearAlloc

    allArenas []arenaIdx

    sweepArenas []arenaIdx

    markArenas []arenaIdx

    curArena struct {
        base, end uintptr
    }

    _ uint32 // ensure 64-bit alignment of central

    central [numSpanClasses]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize]byte
    }

    spanalloc             fixalloc // allocator for span*
    cachealloc            fixalloc // allocator for mcache*
    specialfinalizeralloc fixalloc // allocator for specialfinalizer*
    specialprofilealloc   fixalloc // allocator for specialprofile*
    speciallock           mutex    // lock for special record allocators.
    arenaHintAlloc        fixalloc // allocator for arenaHints

    unused *specialfinalizer // never set, just here to force the specialfinalizer type into DWARF
}

var mheap_ mheap

• lock 全局锁，保证并发，所以尽量避免从mheap中分配
• pages 页面分配的数据结构
• sweepgen 清扫生成
• sweepdone 清扫完成标记
• sweepers 活动清扫调用 sweepone 数
• allspans 所有的 spans 都是通过 mheap_ 申请，所有申请过的 mspan 都会记录在 allspans。结构体中的 lock 就是用来保证并发安全的。
• pagesInUse 统计mSpanInUse 中spans的页数
• pagesSwept 本轮清扫的页数
• pagesSweptBasis 用作清扫率
• sweepHeapLiveBasis 用作扫描率的heap_live 值
• sweepPagesPerByte 清扫率
• scavengeGoal 保留的堆内存总量（预先设定的），runtime 将试图返还内存给OS
• reclaimIndex 指回收的下一页在allAreans 中的索引。具体来说，它指的是 arena allArenas[i/pagesPerArena] 的第（i%pagesPerArena）页
• reclaimCredit 多余页面的备用信用。因为页回收器工作在大块中，它可能回收的比请求的要多，释放的任何备用页将转到此信用池

• arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena 堆arena 映射。它指向整个可用虚拟地址空间的每个 arena 帧的堆元数据；

  使用arenaIndex将索引计算到此数组中；
  对于没有Go堆支持的地址空间区域，arena映射包含`nil`；
  一般来说，这是一个两级映射，由一个L1级映射和多个L2级映射组成；
  当有大量的的 arena 帧时将节省空间，然而在许多平台(64位),arenaL1Bits 是0，这实际上是一个单级映射。这种情况下arenas[0]永远不会为零。

• heapArenaAlloc 是为分配heapArena对象而预先保留的空间。仅仅用于32位系统。
• arenaHints 试图添加更多堆 arenas 的地址列表。它最初由一组通用少许地址填充，并随实 heap arena 的界限而增长。
• arena
• allArenas []arenaIdx 是每个映射arena的arenaIndex 索引。可以用以遍历地址空间。
• sweepArenas []arenaIdx 指在清扫周期开始时保留的 allArenas 快照
• markArenas []arenaIdx 指在标记周期开始时保留的 allArenas 快照
• curArena 指heap当前增长时的 arena，它总是与physPageSize对齐。
• central 重要字段！这个就是上面介绍的 mcentral ，每种规格大小的块对应一个 mcentral。pad 是一个字节填充，用来避免伪共享（false sharing）
• spanalloc 数据类型 fixalloc 是 free-list，用来分配特定大小的块。比如 cachealloc 分配 mcache 大小的块。
• cachealloc 同上
• 其它

对于heap结构中的字段比较多，有几个使用频率非常高的字段，如 allspans、arenas、allArenas、sweepArenas、markArenas 和 central 。有些是与GC 有关，有些是与内存维护管理有关。随着阅读runtime的时长，会越来越了解每个字段的使用场景。

参考资料

• https://studygolang.com/articles/29752
• https://www.cnblogs.com/shijingxiang/articles/12196677.html
• http://www.voidcn.com/article/p-yhcodasw-bkx.html
• https://www.cnblogs.com/zpcoding/p/13259943.html#_label1_4
• https://www.dazhuanlan.com/2019/09/29/5d900b0173983/
• https://www.luozhiyun.com/archives/434