[译] Go语言内存管理与分配
本文基于Go 1.13
Go程序的内存从申请阶段到不再使用后的释放阶段都由Go标准库自动管理。尽管管理工作不需要开发者参与，但是Go对内存管理的底层实现做了非常好的优化，里面充满了有意思的知识点，还是值得我们学习的。
从堆上申请内存
Go内存管理的设计目标是在并发环境下保持高性能，并且集成垃圾回收器。让我们从一个简单的例子开始：
package maintype smallStruct struct { a, b int64 c, d float64}func main() { smallAllocation()}//go:noinlinefunc smallAllocation() *smallStruct { return &smallStruct{}} |
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//go:noinline这行注释可以禁止编译时的内联优化，从而避免编译时把smallAllocation这个函数调用直接优化没了。
运行逃逸分析命令go tool compile "-m" main.go，得到内存申请情况：
main.go:14:9: &smallStruct literal escapes to heap |
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运行go tool compile -S main.go命令，获取程序的汇编代码，可以更清晰的查看内存申请情况：
0x001d 00029 (main.go:14) LEAQ type."".smallStruct(SB), AX0x0024 00036 (main.go:14) PCDATA $0, $00x0024 00036 (main.go:14) MOVQ AX, (SP)0x0028 00040 (main.go:14) CALL runtime.newobject(SB) |
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newobject是用于申请内存的内建函数，newobject是mallocgc的代理，mallocgc是管理堆内存的函数。Go分配内存有两种策略：小块内存申请和大块内存申请。
小块内存申请
对于32KB以下的小块内存申请，Go会尝试从本地缓存mcache中获取内存。mcache包含了一系列被称为mspan的span列表，mspan包含了可供分配使用的内存：
Go的线程调度模型中，每个系统线程M和一个上下文P挂钩，在一个指定时间点最多只能处理一个协程G。申请内存时，当前协程会首先在所属M的本地缓存中的span列表中查找可用的内存块。使用本地缓存的好处是不用加锁，更高效。
span列表按大小被划分为大约70个等级，大小从8字节到32K字节不等，不同等级存储不同大小的内存块：
在我们前面的例子，结构体的大小为32字节，所以使用32字节的span：
每个等级的span链表会存在两份：一个链表用于存储内部不包含指针的对象，另一个链表用于存储内部包含指针的对象。这么的好处是垃圾回收时更高效，因为不需要扫描不包含指针的那个span链表。
译者 yoko 注： 对英文原文做个补充。 每个
mcache包含了2 * 67个链表（一个元素个数为2 * 67的数组，数组中的一个元素即为一个mspan链表）。 这里的67怎么来的呢，为什么不是1呢？ 实际上每个mspan都各自管理了一大块内存块，而每个mspan又被切割成n个小内存块(object)，object才是真正分配给用户使用的内存块。 那么问题来了，mspan按多大切割成object合适呢，太小可能不满足用户申请的大小，太大又造成浪费。 Go采取的策略是将32K大小以内的大小预定义了67个大小等级，每一个链表中的所有mspan都按该链表所设定的大小等级切割object。 这样，用户申请内存时，向上取最接近的大小等级，然后去对应的链表中的mspan获取可用的object。 英文原文关于这部分说的不太清楚，并且上面的两张图画得都不是太准确。实际上应该是一行可能有多个mspan，然后每个mspan内又可能包含多个object。
现在，你可能会奇怪如果mcache上没有空闲的内存块可供分配该怎么办。Go另外还维护了全局的span列表，同样也按大小分成多个级别，叫做mcentral。mcentral包含两种链表，一张包含空闲内存块，一张包含已使用内存块：
mcentral维护了两张span链表。一张链表为non-empty类型，包含了可供分配的span（由于一个span可能包含多个object，只要有一个或一个以上的object可供分配即表示该span可供分配），一张为empty类型，包含已分配完毕的span。当Go执行垃圾回收时，如果span中的内存块被标记为可供分配，span会重新加入到non-empty链表中。
从mcentral获取span的流程图如下：
当mcentral中也没有可供分配的span时，Go会从堆上申请新的span并将其放入mcentral中：
堆在必要时向操作系统申请内存。它会申请一块大内存，被称为arena，在64位系统下为64MB，其它大部分系统为4MB，申请的内存同样用span管理：
大块内存申请
Go申请大于32KB的大块内存不使用本地缓存策略，而是将大小取整到页大小整数倍后直接从堆上申请。
全局图
现在我们在一个较高层次上，对Go的内存分配有了一个大致了解。让我们将所有的组件集合到一起来绘制一张全局图：
设计灵感
Go内存分配器的设计基于TCMalloc，TCMalloc是由Google专门为并行环境优化的内存分配器。TCMalloc的文档很值得一读，在文档里你也能找到本文中讲解到的一些概念。
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