Go高阶指南14，内存的分配原理

Go 中实现的内存分配器，简单的说就是维护了一大块全局内存，每个线程（Go 中的 P）维护一小块的私有内存，当私有内存不足时再向全局申请。内存分配与 GC（垃圾回收）有密切关系。

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

arena 即所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配，spans 和 bitmaps 是用来管理 arena 的。

• arena ：大小为 512 G，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。

span

span是用于管理 arena 页的关键数据结构，每个 span 中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

内存分配过程

针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：

1. 申请一块较大的虚拟内存空间，用于内存分配及管理

• 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（go：_NumSizeClasses = 67），并用链表管理。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。

1. 销毁对象时，将对应的内存块返还空闲链表中以复用。
2. 空闲内存达到最大值时，返还操作系统。

管理组件

go将内存分为三个层级，协程私有内存，全局内存，整体内存叶管理，也因此有这三个层级的内存管理工具。

• mspan: mspan 并不直接拥有内存空间，它负责管理起始地址为 startAddr、级别(预分配页的个数)为 sizeclass 的连续地址空间。
• mcache: Per-P私有cache，用于实现无锁的 object 分配，每个 mcache 有大小为67的 mspan 数组，存储不同级别大小的 mspan。
• mcentral: 全局内存，为各个 cache 提供按大小划分好的 mspan，mcentral有个关键方法 cacheSpan()，它是整个分配的核心算法
• mheap 是真实拥有虚拟地址的结构，page 管理，内存不足时向系统申请。

总结

1. Golang 程序启动时申请一大块内存，并划分成spans、bitmap、arena 区域
2. aren a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

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