9张图轻松吃透Go内存管理单元

导读

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本文基于Go源码版本1.16、64位Linux平台、1Page=8KB、本文的内存特指虚拟内存

今日继续更新《Go语言轻松系列》第二章「内存与垃圾回收」第二部分「Go语言内存管理」。

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想深入了解Go语言的内存管理实现，必然绕不开「Go内存管理单元mspan」，Go堆内存、栈内存的分配过程都依赖了「内存管理单元mspan」。今天我们就通过几张图，层层深入并解开「Go内存管理单元mspan」的神秘面纱。

本文包含的具体概念如下：

• page的概念

• mspan的概念

• object的概念

• FreeList的概念

• sizeclass的概念

• spanclass的概念

本文也是为了后续学习Go堆内存、栈内存的分配过程打好基础。

正文

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介绍Go内存管理单元mspan前，需要先看下page的概念，因为mspan是由N个且连续的page组成。

page的概念

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操作系统是按page管理内存的，同样Go语言也是也是按page管理内存的，1page为8KB，保证了和操作系统一致，如下图所示：

Go内存管理单元mspan通常由N个且连续的page组成，如下图所示：

mspan由page组成

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• mspan可以由1个page组成

• mspan也可以由2个连续的page组成

• mspan也可以由3个连续的page组成

• mspan更可以由N个连续的page组成

上图左半部分是mspan的结构体的关键字段，其中npages就代表了这个mspan是由几个连续的page组成。

除此之外，mspan和mspan之间还可以构成链表，如下图所示

mspan可构成链表

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这里需要注意的是：只有npages的值相同的mspan互相才可以组成一个链表。如上图所示，具体原因下文会讲。

看到这里，你会以为Go是按页page8KB为最小单位分配内存的吗？

答案：当然不是，如果这样的话会导致内存使用率不高。Go语言内存管理器会把mspan再拆解为更小粒度的单位object。如下图所示：

object和object之间构成一个链表，大家这里肯定会想到是LinkedList，实际上并不是，因为LinkedList节点自身的指针也会占用8B内存，作为内存管理器，这部分内存会被白白浪费掉，所以这里通常使用的数据结构是FreeList。

什么是FreeList？

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FreeList本质上还是个LinkedList，和LinkedList的区别：

• FreeList没有Next属性，所以不是用Next属性存放下一个节点的指针的值。

• FreeList“相当于使用了Value的前8字节”(其实就是整块内存的前8字节)存放下一个节点的指针。

• 分配出去的节点，节点整块内存空间可以被复写(指针的值可以被覆盖掉)

如下图所示：

所以：FreeList一个节点最小为8字节Byte

备注：因为要存指针，指针的大小为8字节，为什么？可以参考之前文章《64位平台下，指针自身的大小为什么是8字节？》

得到Go内存管理单元mspan被拆解为object图示如下：

到这里问题又来了，object的具体大小是多大呢，是怎么决定的？

答案：是由sizeclass决定的。

什么是sizeclass？

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sizeclass是一个映射列表，实际是一个数组类型[68]uint16，它的值决定了object的大小，除此之外，mspan由几pages构成也是sizeclass值决定的。sizeclass映射列表的具体规则如下：

// 文件位置：`src/runtime/sizeclasses.g`
// 索引0位置被保留使用，具体使用位置后续会讲。

如上文所述，`object`之间采用freelist数据结构构成链表，指针为8Byte所以最小的object大小为8Byte

字段解释：
class: sizeclass值 
bytes/obj: 该`mspan`拆分object大小
bytes/span: 该`mspan`是由几pages组成
objects: 该`mspan`共计包含的object数量

class  bytes/obj  bytes/span  objects
1          8        8192     1024
2         16        8192      512
3         24        8192      341
4         32        8192      256
5         48        8192      170
6         64        8192      128
...略...
65      27264       81920        3 
66      28672       57344        2
67      32768       32768        1

表格左右滑动查看

sizeclass值	object大小	由几pages组成
0	保留	1page
1	8Byte	1pages
2	16Byte	1page
3	24Byte	1page
...	...	...
67	32KB	4pages

所以mspan结构体上只要维护一个sizeclass的字段，就可以知道该mspan中object的大小、数量。但是呢，实际上这个字段并不是sizeclass，而是spanclass，如下图所示：

那么，问题又来了😂。

什么是spanclass？

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实际上Go内存管理单元mspan被分为了两类：

• 第一类：需要垃圾回收扫描的mspan，简称scan

• 第二类：不需要垃圾回收扫描的mspan，简称noscan

所以说并不是所有的Go内存管理单元mspan会被垃圾回收扫描。为了区别这两类mspan，Go语言把类型标识和上面sizeclass的值一起放在了同一个字段里，具体如下：

• sizeclass值左移一位：sizeclass << 1

• sizeclass值最后一位存类型

  • 最后一位为1：则是不需要垃圾回收扫描的mspan

  • 最后一位为0：则是需要垃圾回收扫描的mspan

图示如下：

总结

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mspan拆分object总结

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这里我们以spanclass的10进制值为7的mspan为例：

表格左右滑动查看

spanclass10进制值为7
可得，spanclass2进制为0000 0111
可得，sizeclass为7>>1：2进制0000 0011，10进制3
可得，mspan由1page组成，共计8KB(8192Byte)
可得，object大小为24Byte
可得，mspan共计包含341个object
可得，mspan尾部浪费8Byte

具体图示如下：

mspan关键字段总结

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挑选mspan的几个重要字段，如下图：

表格左右滑动查看

字段名	解释
next、prev、list	mspan之间可以构成链表
startAddr	mspan内存的开始位置，N个连续page内存的开始位置
npages	mspan由几page组成
freeindex	空闲object链表的开始位置
nelems	一共有多少个object
spanclass	决定object的大小、以及当前mspan是否需要垃圾回收扫描
...	...

下篇文章就开始讲解Go堆内存的分配时机与过程。

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