golang 系列：神秘的内存管理

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一、概述

内存管理在任何的编程语言里都是重头戏，Golang 也不例外。Go 借鉴了 Google 的 TCMalloc，它是高性能的用于 c++ 的内存分配器。其核心思想是内存池 + 多级对象管理 ，能加快分配速度，降低资源竞争。

二、基础结构

在 Go 里用于内存管理的对象结构主要是下面几个：

mheap、mspan、arenas、mcentral、mcache。

其中，mspan 是一个基础结构，分配内存时，基本以它为单位。

mcache、mcentral、mheap 起到了内存池的作用，会被预分配内存，当有对应大小的对象需要分配时会先到它们这一层请求。如果这一层内存池不够用时，会按照下面的顺序一层一层的往上申请内存：

mcache -> mcentral-> mheap -> 操作系统

mspan&&arenas
先来看看 mspan 这个基础结构体。首先，当 Go 在程序初始化的时候，会将申请到的虚拟内存划分为以下三个部分：
内存管理

arenas 也就是动态分配的堆区，它将分配到的内存以 8k 为一页进行管理。

然而 "页" 这个单位还是太细了，因此再抽象出 mspan 这一层来管理，mspan 表示一组连续的页面。

mspan 记录了这组连续页面的起止地址、页数量、以及类型规格。

关于 mspan 的类型规格有 67 种，每一种都被定义了一个固定大小，当有对象需要分配内存时，就会挑选合适规格的 mspan 分配给对象。

class 1 2 3 4 5 6 ··· 63 64 65 66

bytes 8 16 32 48 64 80 ··· 24576 27264 28672 32768
例如给大小为 30B 的对象分配内存时，就会选择类型规格 class 为 3，也就是大小为 32B 的 mspan 分配。这种分配方法跟 linux 用于内存分配的伙伴算法差不多，能有效地减少内存碎片。

刚刚提到虚拟内存划分还有个 bitmap 区域，bitmap 主要用来标记 arena 区域中哪些地址保存了对象, GC 扫描信息以及对象指针信息。

总体上来讲，spans 和 bitmap 区域可以看做是 arenas 区域的元数据信息，辅助内存管理。

mheap && mcentral
mheap 在 Go 里是一个全局对象，用来管理大于 32K 对象的内存分配。

mcentral 维护了各个规格的 mspan。当它的下级 mcache 内存不足时，则会到 mcentral 这里来申请 mspan。

由于 mcentral 有各个规格类型的 mspan，因此当有不同规格的分配请求时，并不会产生并发竞争的问题。只有当同类型规格的 mspan 并发请求分配时，才会有加锁操作。

mcache
mcache 是提供给 P 的本地内存池。（关于 GPM 模型可以看这篇 golang 重要知识：golang 调度），由于每次只会有一个 Goroutine 在 P 上执行。所以分配内存是不需要竞争的。

mcache 上还有微型分配器，当要分配更小元素：即 <= 16B 时，会在一个 8byte 的 mspan 上分配多个的对象，这样就能更好的利用内存空间。

三、总体流程

• 当要分配大于 32K 的对象时，从 mheap 分配。
• 当要分配的对象小于等于 32K 大于 16B 时，从 P 上的 mcache 分配，如果 mcache 没有内存，则从 mcentral 获取，如果 mcentral 也没有，则向 mheap 申请，如果 mheap 也没有，则从操作系统申请内存。
• 当要分配的对象小于等于 16B 时，从 mcache 上的微型分配器上分配。