Go语言内存管理（一）内存分配
Go语言内存管理（一）内存分配
golang作为一种“高级语言”，也提供了自己的内存管理机制。这样一方面可以简化编码的流程，降低因内存使用导致出现问题的频率（C语言使用者尤其是初学者应该深有体会），对程序猿友好。另一方面也可以减少内存相关系统调用，提升性能。
先了解下内存管理大致策略：
- 申请一块较大的地址空间（虚拟内存），用于内存分配及管理（golang：spans+bitmap+arena->512M+16G+512G）
- 当空间不足时，向系统申请一块较大的内存，如100KB或者1MB
- 申请到的内存块按特定的size，被分割成多种小块内存（golang：_NumSizeClasses = 67），并用链表管理起来
- 创建对象时，按照对象大小，从空闲链表中查找到最适合的内存块
- 销毁对象时，将对应的内存块返还空闲链表中以复用
- 空闲内存达到阈值时，返还操作系统
以下，基于go1.9版本，看下golang内存分配实现的基本思路。
Go内存管理的实现
go的内存管理实现基于TCMalloc（Thread-Caching Malloc）。
TCMalloc是 Google 开发的多级内存分配器，具有对抗内存碎片化，适合高并发场景的特性。据称，它的内存分配速度是 glibc2.3 中实现的 malloc的数倍。
和TCMalloc相同，go的内存分配也是基于两种粒度的内存单位：span和object。span是连续的page，按page的数量进行归类，比如分为2个page的span，4个page的span等。object是span中按预设大小划分的块，也是按大小分类。同一个span中，只有一种类型（大小）的object。
go内存分配主要有三个管理组件：
- mcache
Per-P（Processer，具体参见go中G，M，P的概念）私有cache，用于实现无锁的object分配
- mcentral
全局内存，为各个cache提供按大小划分好的span
- mheap
全局内存，page管理，内存不足时向系统申请
通过将内存分配流程分为三个层级，既能保证Processer级别（mcache）的无锁分配，又能在mcentral级别实现内存全局共享，避免浪费。
go将内存申请按大小分为三种类型：tiny，small，large。tiny是小于16个byte的申请，small是小于32KB的申请，大于32KB为large，三种类型的处理方式有所不同。
_TinySize = 16 _MaxSmallSize = 32768
我们以一个small对象为例，看一下内存申请流程：
- 计算对象大小，按预定义的sizeclass表（见下）从私有的mcache中找到对应规格的mspan。比如大小为112 byte的对象，对应8192 byte大小的mspan。然后通过mspan的空闲bitmap查找空闲的块，如果空闲块存在，分配完成。
以上是mcache内的分配操作，不需要加锁。
- 如果mspan没有空闲块，则向mcentral申请对应大小的空闲mspan。比如112 byte的对象，需要向mcentral申请8192 byte大小的空闲mspan。
由于申请获取全局的mspan，需要在mcentral级别加锁。
如果mcentral中没有空闲mspan，则向mheap申请，并划分object。
如果mheap没有足够的空闲page，则向操作系统申请不少于1M的page。
以上就是small对象的内存分配流程。
large对象的申请，跳过了mcache和mcentral，直接从mheap中分配。
对于tiny对象的申请，mcache中有专门的内存区域“tiny”来进行特殊处理。“tiny”将对象按大小与tinyoffset（“tiny”当前分配地址）对齐，然后分配，并记录下新的tinyoffset，用于下次分配。如果空间不足，则另外申请16 byte的内存块。
// 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
参考文献：