Go内存管理和分配策略

前言

开始了解Go内存分配之前我们来简单了解下虚拟内存技术。

虚拟内存技术

物理内存：实际通过物理内存而获得的内存空间

虚拟内存：与物理内存相反,是指根据系统需要从硬盘中虚拟的划出一部分存储空间

而虚拟内存技术就是对内存的一种抽象，有了这层抽象之后，程序运行进程的总大小可以超过实际可用的物理内存大小，每个进程都有自己的独立虚拟地址空间，然后通过CPU和MMU把虚拟内存地址转换为实际物理地址。

TCMalloc内存分配算法简述

TCMalloc全称是Thread Cache Malloc,是google为C语言开发的内存分配算法，是Go内存分配的起源。我们对它做个简单的了解，看看它的核心思想和几个重要概念，更能帮助我们理解Go内存分配和TCMalloc的相似和不同的地方。

核心思想

TCMalloc内存分配算法的核心思想是把内存分为多级管理，从而降低锁的粒度，它将可用的堆内存采用二级分配的方式进行管理，每个线程都会自行维护一个独立的线程内存池，进行内存分配时优先从该线程内存池中分配, 当线程内存池不足时才会向全局内存池申请，以避免不同线程对全局内存池的频繁竞争 ,进一步的降低了内存并发访问的粒度。

TCMalloc重要概念

1. Page: 操作系统对内存的管理同样是以页为单位，但TCMalloc中的Page和操作系统的中页是倍数关系，x64下Page大小为8KB
2. Span： 一组连续的Page被叫做Span，是TCMalloc内存管理的基本单位，有不同大小的Span，比如2个Page大的Span，16个Page大的Span
3. ThreadCache： 每个线程各自的Cache，每个ThreadCache包含多个不同规格的Span链表，叫做SpanList， 内存分配的时候，可以根据要分配的内存大小，快速选择不同大小的SpanList，在SpanList上选择合适的Span，每个线程都有自己的ThreadCache，所以ThreadCache是无锁访问的
4. CentralCache： 中心Cache，所有线程共享的Cache，也是保存的SpanList，数量和ThreadCache中数量相同 当ThreadCache中内存不足时，可以从CentralCache中获取 当ThreadCache中内存太多时，可以放回CentralCache 由于CentralCache是线程共享的，所以它的访问需要加锁
5. PageHeap： 堆内存的抽象，同样当CentealCache中内存太多或太少时，都可从PageHeap中放回或获取，同样，PageHeap的访问也是需要加锁的

Go的内存分配算法是基于TCMalloc（Thread Cache malloc，线程缓存分配器）内存分配算法实现的，通过借鉴了TCmalloc的思想，开发出Go的内存分配器，核心实现在内置运行时（就是runtime）。

Go内存分配

核心思想

Go在程序启动的时候，会分配一块连续的内存（注意这时还只是一段虚拟的地址空间，并不会真正地分配内存），切成小块后自己进行管理，对内存的分配遵循以下思想。

1. 每次从操作系统申请一大块内存, 以减少系统调用。
2. 将申请到的大块内存按照特定大小预先切分成小块, 构成链表。
3. 为对象分配内存时, 只需从大小合适的链表提取一个小块即可。
4. 回收对象内存时, 将该小块内存重新归还到原链表, 以便复用。
5. 如闲置内存过多, 则尝试归还部分内存给操作系统, 降低整体开销

内存管理图

先看图，我们先在脑中构造一个基础的概念图，然后再一个个解释，我觉得这种方式比只读枯燥的文字更有效。

我们从Go内存管理结构图中可以看出内存管理由mcache、mcentral、mheap组成一个三级管理结构，本质上都是对mspan的管理，三者之间没有严格的包含关系，只是用于不同的目的来共同配合管理所有mspan。

mspan其实就是Go中内存管理的基本单元，是由一片连续的 8kB 的页（page）组成的内存块。小对象和大对象分配的位置不用，大对象在mheap上分配，小对象使用mcache的tiny分配器分配。而文章开始我们为什么要去了解虚拟内存技术呢，可以看到mheap向操作系统申请新内存时，是向虚拟内存申请。

内存管理单元 mspan

Span是go内存管理的基本单位，代码中为mspan，一组连续的Page组成1个Span，所以上图一组连续的浅蓝色长方形代表的是一组Page组成的1个Span，另外，1个淡紫色长方形为1个Span。go把内存分为67个大小不同的span（SizeClass有67种），并且大小是不固定的。

sizeclasses.go对span数量67写死在代码中：

// src/runtime/mheap.go 的mspan结构体

type mSpanList struct {

 first *mspan // first span in list, or nil if none
 last  *mspan // last span in list, or nil if none
}


type mspan struct {

        next *mspan     // 链表后向指针，用于将span链接起来
        prev *mspan     // 链表前向指针，用于将span链接起来
        list *mSpanList // 双端队列的head

        startAddr uintptr // 起始地址，也即所管理页的地址
        npages    uintptr // 块个数，表示有多少个块可供分配
        ...
}
    

内存管理组件

内存管理器由mcache, mcentral, mheap3种组件构成： 三级管理结构是为了方便对span进行管理，加速对span对象的访问和分配，这三个结构在runtime中分别有对应的mcache.go、mcentral.go、mheap.go文件。对于如何实现申请、分配、释放内存的代码我们就不去做了解了，了解原理应付面试就够了。

• mcache：保存的是各种大小的Span，并按Span class分类，小对象直接从mcache分配内存，它起到了缓存的作用，并且可以无锁访问 Go中是每个P拥有1个mcache，因为在Go程序中，当前最多有GOMAXPROCS个线程在运行，所以最多需要GOMAXPROCS个mcache就可以保证各线程对mcache的无锁访问
• mcentral：是所有线程共享的缓存，需要加锁访问，它按Span class对Span分类，串联成链表，当mcache的某个级别Span的内存被分配光时，它会向mcentral申请1个当前级别的Span
• mheap：是堆内存的抽象，把从OS（系统）申请出的内存页组织成Span，并保存起来。当mcentral的Span不够用时会向mheap申请，mheap的Span不够用时会向OS申请，向OS的内存申请是按页来的，然后把申请来的内存页生成Span组织起来，同样也是需要加锁访问的。 mheap主要用于大对象的内存分配，以及管理未切割的mspan，用于给mcentral切割成小对象

把这些概念结合起来，可以用下面图进行概述三者之间的联系和对mspan的不同处理。

分配流程

Go的内存分配器在分配对象时，根据对象的大小，分成三类：小对象（小于等于16B）、一般对象（大于16B，小于等于32KB）、大对象（大于32KB）。

大体上的分配流程：

• 32KB 的对象，直接从mheap上分配；
• =16B 的对象使用mcache的tiny分配器分配；
• (16B,32KB] 的对象，首先计算对象的规格大小，然后使用mcache中相应规格大小的mspan分配；
• 如果mcache没有相应规格大小的mspan，则向mcentral申请
• 如果mcentral没有相应规格大小的mspan，则向mheap申请
• 如果mheap中也没有合适大小的mspan，则向操作系统申请

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