第四章 Go内存管理（一）：内存分配原理

原理简述

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

基本信息

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（垃圾回收）。

span

span是内存管理的基本单位，每个span用于管理特定的class对象，根据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。

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
    startAddr uintptr // 起始地址，也即所管理页的地址
    npages    uintptr // 管理的页数

    nelems uintptr // 块个数，也即有多少个块可供分配

    allocBits  *gcBits //分配位图，每一位代表一个块是否已分配

    allocCount  uint16     // 已分配块的个数
    spanclass   spanClass  // class表中的class ID

    elemsize    uintptr    // class表中的对象大小，也即块大小
}

cache

有了管理内存的基本单位span，还要有个数据结构来管理span，这个数据结构叫mcentral，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的加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。
cache的数据结构

type mcache struct {
    alloc [67*2]*mspan // 按class分组的mspan列表
}

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。

根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。

mchache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态的从central中获取并缓存下来，跟据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。

central

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。
central数据结构

type mcentral struct {
    lock      mutex     //互斥锁，防止多线程读写冲突
    spanclass spanClass // span class ID，每个mcentral管理着一组有相同class的span列表
    nonempty  mSpanList // non-empty 指还有空闲块的span列表
    empty     mSpanList // 指没有空闲块的span列表

    nmalloc uint64      // 已累计分配的对象个数
}

线程从central获取span：

加锁
从nonempty列表获取一个可用span
并将其从链表中删除
将取出的span放入empty链表
将span返回给线程解锁
线程将该span缓存进cache

线程将span归还：

加锁
将span从empty列表删除
将span加入nonempty列表解锁

heap

从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。

type mheap struct {
    lock      mutex

    spans []*mspan	//指向spans区域，用于映射span和page的关系

    bitmap        uintptr     //指向bitmap首地址，bitmap是从高地址向低地址增长的

    arena_start uintptr        //指示arena区首地址
    arena_used  uintptr        //指示arena区已使用地址位置

    central [67*2]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%sys.CacheLineSize]byte
    }
}