基础概念

为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。
以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：

预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。

  • arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；
  • spans区域存放span的指针，每个指针对应一个或多个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)*指针大小8byte = 512M
  • bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。

 Go内存管理的流程

go内存管理的简单流程如下

简单流程

我们的go进程需要申请一个小对象(<=32KB)的时候直接从mcache里面申请，

如果mcache里面没有多余的空间分配，就向mcentral申请一个单位的空间(xKB，具体大小先不管，后面会说)。如果mcentral没有多余的呢，就向mheap申请；如果mheap也不够了呢，mheap就直接从操作系统中分配一组新的内存空间（至少1MB）。

如果申请的大对象(>32KB)，直接从mheap分配。

可以发现流程很简单，就是当自己需要内存就向上一级申请内存空间，如果没有多余，就自己上级模块再向他的上一级的内存模块申请空间，依次类推直到内核。

为了避免混乱，我们再看一张图来深化一下各个结构之间的关系：

可以看出 mheap为结构最顶层，包含arena中的mcentral 和 逻辑处理器(P)中的mcache

重要概念：

需要知道的结构名词有：

  • page
  • span
  • mcache
  • mentral
  • mheap

1.Page

操作系统内存管理中，内存的最粒度是4KB，也就是说分配内存最小4kb起。而golang里面一个page是8KB。

2.Span

mspan

3.Mcache

各线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断地加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。

mcache保存的是各种大小的Span，并按Span class分类，小对象(<=32KB)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。

mcache是每个逻辑处理器（P）的本地内存线程缓存。Go中是每个P拥有1个mcache。

mcache中每个级别的Span有2类数组链表，一个不带指针，一个带指针需要GC扫码。

4.Mcentral

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。所有线程共享的缓存，需要加锁访问。

5.Mheap

它把从OS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。大对象(>32KB)直接从mheap上分配。

总结

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。

  1. Golang程序启动时申请一大块内存，并划分成spans、bitmap、arena区域
  2. arena区域按页划分成一个个小块
  3. span管理一个或多个页
  4. mcentral管理多个span供线程申请使用
  5. mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral