Go語言內存管理（一）內存分配

golang作為一種“高級語言”，也提供了自己的內存管理機制。這樣一方面可以簡化編碼的流程，降低因內存使用導致出現問題的頻率（C語言使用者尤其是初學者應該深有體會），對程序猿友好。另一方面也可以減少內存相關系統調用，提升性能。

先了解下內存管理大致策略：

• 申請一塊較大的地址空間（虛擬內存），用於內存分配及管理（golang：spans+bitmap+arena->512M+16G+512G）
• 當空間不足時，向系統申請一塊較大的內存，如100KB或者1MB
• 申請到的內存塊按特定的size，被分割成多種小塊內存（golang：_NumSizeClasses = 67），並用鏈表管理起來
• 創建對象時，按照對象大小，從空閑鏈表中查找到最適合的內存塊
• 銷毀對象時，將對應的內存塊返還空閑鏈表中以復用
• 空閑內存達到閾值時，返還操作系統

以下，基於go1.9版本，看下golang內存分配實現的基本思路。

Go內存管理的實現

go的內存管理實現基於TCMalloc（Thread-Caching Malloc）。

TCMalloc是 Google 開發的多級內存分配器，具有對抗內存碎片化，適合高並發場景的特性。據稱，它的內存分配速度是 glibc2.3 中實現的 malloc的數倍。

和TCMalloc相同，go的內存分配也是基於兩種粒度的內存單位：span和object。span是連續的page，按page的數量進行歸類，比如分為2個page的span，4個page的span等。object是span中按預設大小劃分的塊，也是按大小分類。同一個span中，只有一種類型（大小）的object。

go內存分配主要有三個管理組件：

• mcache

Per-P（Processer，具體參見go中G，M，P的概念）私有cache，用於實現無鎖的object分配

• mcentral

全局內存，為各個cache提供按大小劃分好的span

• mheap

全局內存，page管理，內存不足時向系統申請

通過將內存分配流程分為三個層級，既能保證Processer級別（mcache）的無鎖分配，又能在mcentral級別實現內存全局共享，避免浪費。

go將內存申請按大小分為三種類型：tiny，small，large。tiny是小於16個byte的申請，small是小於32KB的申請，大於32KB為large，三種類型的處理方式有所不同。

_TinySize      = 16
_MaxSmallSize   = 32768

我們以一個small對象為例，看一下內存申請流程：

1. 計算對象大小，按預定義的sizeclass表（見下）從私有的mcache中找到對應規格的mspan。比如大小為112 byte的對象，對應8192 byte大小的mspan。然後通過mspan的空閑bitmap查找空閑的塊，如果空閑塊存在，分配完成。

以上是mcache內的分配操作，不需要加鎖。

1. 如果mspan沒有空閑塊，則向mcentral申請對應大小的空閑mspan。比如112 byte的對象，需要向mcentral申請8192 byte大小的空閑mspan。

由於申請獲取全局的mspan，需要在mcentral級別加鎖。

1. 如果mcentral中沒有空閑mspan，則向mheap申請，並劃分object。

2. 如果mheap沒有足夠的空閑page，則向操作系統申請不少於1M的page。

以上就是small對象的內存分配流程。

large對象的申請，跳過了mcache和mcentral，直接從mheap中分配。

對於tiny對象的申請，mcache中有專門的內存區域“tiny”來進行特殊處理。“tiny”將對象按大小與tinyoffset（“tiny”當前分配地址）對齊，然後分配，並記錄下新的tinyoffset，用於下次分配。如果空間不足，則另外申請16 byte的內存塊。

// sizeclass
// class  bytes/obj  bytes/span  objects  waste bytes
//     1          8        8192     1024            0
//     2         16        8192      512            0
//     3         32        8192      256            0
//     4         48        8192      170           32
//     5         64        8192      128            0
//     6         80        8192      102           32
//     7         96        8192       85           32
//     8        112        8192       73           16
//     9        128        8192       64            0
//    10        144        8192       56          128
//    11        160        8192       51           32
//    12        176        8192       46           96
//    13        192        8192       42          128
//    14        208        8192       39           80
//    15        224        8192       36          128
//    16        240        8192       34           32
//    17        256        8192       32            0
//    18        288        8192       28          128
//    19        320        8192       25          192
//    20        352        8192       23           96
//    21        384        8192       21          128
//    22        416        8192       19          288
//    23        448        8192       18          128
//    24        480        8192       17           32
//    25        512        8192       16            0
//    26        576        8192       14          128
//    27        640        8192       12          512
//    28        704        8192       11          448
//    29        768        8192       10          512
//    30        896        8192        9          128
//    31       1024        8192        8            0
//    32       1152        8192        7          128
//    33       1280        8192        6          512
//    34       1408       16384       11          896
//    35       1536        8192        5          512
//    36       1792       16384        9          256
//    37       2048        8192        4            0
//    38       2304       16384        7          256
//    39       2688        8192        3          128
//    40       3072       24576        8            0
//    41       3200       16384        5          384
//    42       3456       24576        7          384
//    43       4096        8192        2            0
//    44       4864       24576        5          256
//    45       5376       16384        3          256
//    46       6144       24576        4            0
//    47       6528       32768        5          128
//    48       6784       40960        6          256
//    49       6912       49152        7          768
//    50       8192        8192        1            0
//    51       9472       57344        6          512
//    52       9728       49152        5          512
//    53      10240       40960        4            0
//    54      10880       32768        3          128
//    55      12288       24576        2            0
//    56      13568       40960        3          256
//    57      14336       57344        4            0
//    58      16384       16384        1            0
//    59      18432       73728        4            0
//    60      19072       57344        3          128
//    61      20480       40960        2            0
//    62      21760       65536        3          256
//    63      24576       24576        1            0
//    64      27264       81920        3          128
//    65      28672       57344        2            0
//    66      32768       32768        1            0

參考文獻：

TCMalloc

圖解 TCMalloc

Go語言內存管理（一）內存分配