GoLang之堆内存系列一(堆内存管理)

GoLang之堆内存系列一(堆内存管理)

注:这一次，我们基于Go1.16，介绍了堆内存的基本结构，以及负责堆内存管理的主要数据结构。
关键是理解mcentral和mcache的合作方式，以及heapArena与mspan中这些重要的位图标记。结合内存分配与GC，理解它们是如何发挥作用的。

1.堆内存结构

Go语言的runtime将堆地址空间划分成了一个一个的arena，arena区域的起始地址被定义为常量arenaBaseOffset。
在amd64架构的Linux环境下，每个arena的大小是64MB，起始地址也对齐到64MB，每个arena包含8192个page，所以每个page大小为8KB。

因为程序运行起来所需要分配的内存块有大有小，而分散的、大小不一的碎片化内存一方面可能降低内存使用率：

另一方面要找到大小合适的内存块的代价会因碎片化而增加。
为降低碎片化内存给程序性能造成的不良影响，Go语言的堆分配采用了与tcmalloc内存分配器类似的算法。

简单来讲就是：按照一组预置的大小规格把内存页划分成块，然后把不同规格的内存块放入对应的空闲链表中。

程序申请内存时，分配器会先根据要申请的内存大小找到最匹配的规格，然后从对应空闲链表中分配一个内存块。

Go 1.16 runtime包给出了67种预置的大小规格，最小8字节，最大32KB。

所以在划分的整整齐齐的arena里，又会按需划分出不同的span，每个span包含一组连续的page，并且按照特定规格划分成了等大的内存块（在span里有很多等大的内存块）。

arena, span, page和内存块组成了堆内存，而在堆内存之外，有一大票用于管理堆内存的数据结构。
例如，mheap用于管理整个堆内存；一个arena对应一个heapArena结构;一个span对应一个mspan结构。
通过它们可以知道某个内存块是否已分配；已分配的内存用作指针还是标量；是否已被GC标记；是否等待清扫等信息。

2.heapArena

2.1heapArena

heapArena是在Go的堆之外分配和管理的，其结构定义代码如下：

type heapArena struct {
  bitmap       [heapArenaBitmapBytes]byte//heapArenaBitmapBytes是一个常量，数值是多少不确定。比较难算
  spans        [pagesPerArena]*mspan
  pageInUse    [pagesPerArena / 8]uint8
  pageMarks    [pagesPerArena / 8]uint8
  pageSpecials [pagesPerArena / 8]uint8
  checkmarks   *checkmarksMap
  zeroedBase   uintptr
}

heapArena这里存储着arena的元数据，里面有一群位图标记。

2.2heapArena.bitmap

bitmap位图：
（1）用一位标记这个arena中，一个指针大小的内存单元到底是指针还是标量；
（2）再用一位来标记这块内存空间的后续单元是否包含指针。
而且为了便于操作，bitmap中用一字节标记arena中4个指针大小的内存空间：低4位用于标记指针/标量；高4位用于标记扫描/终止。

例如在arena起始处分配一个slice，slice结构包括一个元素指针，一个长度，以及一个容量。对应的bitmap标记位图中：
（1）第一字节的第0位到第2位标记这三个字段是指针还是标量；
（2）第4位到第6位标记三个字段是否需要继续扫描。

2.3heapArena.pageInUse

pageInUse是个uint8类型的数组，长度为1024，所以一共8192位。结合这个名字，看起来似乎是标记哪些页面被使用了。但实际上，这个位图只标记处于使用状态(mSpanInUse)的span的第一个page。
例如arena中连续三个span分别包含1，2，3个page，pageInUse位图标记情况如下图所示：

2.4heapArena.pageMarks

pageMarks这个位图看起来应该和GC标记有点儿关系，它的用法和pageInUse一样，只标记每个span的第一个page。在GC标记阶段会修改这个位图，标记哪些span中存在被标记的对象;在GC清扫阶段会根据这个位图，来释放不含标记对象的span。

2.5heapArena.spans

spans是个*mspan类型的数组，大小为8192，正好对应arena中8192个page，所以用于定位一个page对应的mspan在哪儿。

3.mspan

3.1mspan

mspan管理着span中一组连续的page，mspan同mcentrla一样，将划分的内存块规格类型记录在spanClass中。

type mspan struct {
  next           *mspan
  prev           *mspan
  list           *mSpanList
  startAddr      uintptr
  npages         uintptr
  manualFreeList gclinkptr
  freeindex      uintptr
  nelems         uintptr
  allocCache     uint64
  allocBits      *gcBits
  gcmarkBits     *gcBits
  sweepgen       uint32
  divMul         uint16
  baseMask       uint16
  allocCount     uint16
  spanclass      spanClass
  state          mSpanStateBox
  needzero       uint8
  divShift       uint8
  divShift2      uint8
  elemsize       uintptr
  limit          uintptr
  speciallock    mutex
  specials       *special
}

// mSpanList heads a linked list of spans.
//
//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
}

3.2mspan.nelems

nelems记录着当前span共划分成了多少个内存块。

3.3mspan.freeIndex

freeIndex记录着下个空闲内存块的索引。

3.4mspan.allocBits

与heapArena不同，mspan这里的位图标记，面向的是划分好的内存块单元，allocBits位图用于标记哪些内存块已经被分配了。

3.3mspan.gcmarkBits

gcmarkBits是当前span的标记位图，在GC标记阶段会对这个位图进行标记，一个二进制位对应span中的一个内存块。

到GC清扫阶段会释放掉旧的allocBits，然后把标记好的gcmarkBits用作allocBits，这样未被GC标记的内存块就能回收利用了。当然会重新分配一段清零的内存给gcmarkBits位图。

4.spanClass

spanClass是这样用的：
高七位标记内存块大小规格编号，runtime提供的预置规格对应编号1到67，编号0留出来，编号0对应大于32KB的大块内存，一共68种([8B,32KB])。
然后每种规格会按照是否不需要GC扫描进一步区分开来，用最低位来标识：
（1）包含指针的需要GC扫描，归为scannable这一类；
（2）不含指针的归为noscan这一类。
68*2=136,所以一共分成136种。

5.mheap

mhep中有一个全局的mspan管理中心，即mheap.central， 它是一个长度为136的数组，数组元素是一个mcetral数据结构加上一个padding。

6.mcentral

mcentral怎么管理mspan呢？

type mcentral struct {
  spanclass spanClass
  partial   [2]spanSet
  full      [2]spanSet
}

实际上，一个mcentral对应一种mspan规格类型，同样记录在spanclass中，一共有136种。
每种spanclass的mcentral中，会进一步将已用尽(full)与未用尽(partial)的mspan分别管理。每一种又会放到两个并发安全的set中：一个是已清扫的；另一个是未清扫的。

全局mspan管理中心方便取用各种规格类型的mspan。但是为保障多个P之间并发安全，免不了频繁加锁、解锁。
为降低多个P之间的竞争性，Go语言的每个P都有一个本地小对象缓存，也就是mcache，从这里取用就不用再加锁了。

7.mcache

type mcache struct {
  nextSample uintptr
  scanAlloc  uintptr
  tiny       uintptr
  tinyoffset uintptr
  tinyAllocs uintptr
  alloc      [numSpanClasses]*mspan
  //numSpanClasses = _NumSizeClasses << 1     
  //_NumSizeClasses = 68
  stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist
  flushGen   uint32
}

mcache这里有一个长度为136的*mspan类型的数组，还有专门用于分配小于16字节的noscan类型的tiny内存。

当前P需要用到特定规格类型的mspan时，先去本地缓存这里找对应的mspan；如果没有或者用完了，就去mcentral这里获取一个放到本地，把已用尽的归还到对应mcentral的full set中。

注：arena：”额润呢“
Tcmalloc：T C 模 额唠嗑
span ：死判
mheap ： m 黑p
mcentral：m森戳
padding：拍丁
scannable： 死砍呢宝
bitmap:比特map