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Golang内存模型与分配机制

news 2025/7/6 1:58:45

简述

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mheap为堆，堆和进程是一对一的；mcentral（小mheadp），mcahe（GMP的P私有），分配内存顺序由后向前。
在解决这个问题，Golang 在堆 mheap 之上，依次细化粒度，建立了mcentral、mcache 的模型，下面对三者作个梳理:

mheap:全局的内存起源,访问要加全局锁
mcentral:每种对象大小规格(全局共划分为68种)对应的缓存，锁的粒度也仅限于同一种规格以内
mcache:每个P(正是GMP中的P)持有一份的内存缓存，访问时无锁

首先理下page和mspan两个概念∶
(1) page:最小的存储单元.
Golang 借鉴操作系统分页管理的思想，每个最小的存储单元也称之为页page，但大小为8 KB
(2) mspan:最小的管理单元.
mspan 大小为 page 的整数倍，且8B到80 KB被划分为67种不同的规格，分配对象时，会根据大小映射到不同规格的mspan，从中获取空间.
于是，我们回头小节多规格mspan下产生的特点︰
根据规格大小，产生了等级的制度
消除了外部碎片,但不可避免会有内部碎片
宏观上能提高整体空间利用率
正是因为有了规格等级的概念，才支持mcentral实现细锁化

核心概念梳理

内存单元mspan

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分点阐述mspan的特质:

mspan是Golang内存管理的最小单元
mspan大小是page的整数倍(Go 中的page 大小为8KB)，且内部的页是连续的(至少在虚拟内存的视角中是这样)
每个mspan根据空间大小以及面向分配对象的大小，会被划分为不同的等级
同等级的mspan 会从属同一个mcentral，最终会被组织成链表，因此带有前后指针（(prev、next)·- 由于同等级的mspan内聚于同一个mcentral，所以会基于同一把互斥锁管理
mspan 会基于bitMap辅助快速找到空闲内存块(块大小为对应等级下的object大小)，此时需要使用到Ctz64算法.

内存单元等级spanClass

mspan根据空间大小和面向分配对象的大小，被划分为67种等级（1-67，实际上还有一种隐藏的0级，用于处理更大的对象,上不封顶)
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除了上面谈及的根据大小确定的mspan等级外，每个object还有一个重要的属性叫做nocan，标识了object是否包含指针，在gc时是否需要展开标记.
在Golang 中，会将span class + nocan两部分信息组装成一个uint8，形成完整的
spanClass 标识.8个 bit中，高7位表示了上表的span等级（(总共67+1个等级，8个bit足够用了)，最低位表示nocan信息.
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线程缓存mcache

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(1) mcache是每个Р独有的缓存，因此交互无锁
(2) mcache 将每种spanClass 等级的mspan各缓存了一个，总数为2 (nocan维度)*68(大小维度)=136
(3) mcache 中还有一个为对象分配器tiny allocator，用于处理小于16B对象的内存分配
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中心缓存mcentral

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要点∶
(1）每个mcentral对应一种spanClass
(2）每个mcentral 下聚合了该spanClass 下的mspan
(3) mcentral 下的mspan分为两个链表，分别为有空间mspan链表partial和满空间mspan链表full
(4）每个mcentral一把锁

全局堆缓存mheap

要点︰

对于Golang上层应用而言，堆是操作系统虚拟内存的抽象·
以页(8KB)为单位，作为最小内存存储单元
负责将连续页组装成mspan
全局内存基于bitMap标识其使用情况，每个bit对应一页，为0则自由，为1则已被mspan组装·
通过heapArena 聚合页，记录了页到mspan的映射信息
建立空闲页基数树索引 radix tree index，辅助快速寻找空闲页
是mcentral 的持有者，持有所有spanClass 下的mcentral，作为自身的缓存
内存不够时，向操作系统申请，申请单位为heapArena (64M)

空闲也索引pageAlloc

数据结构背后的含义:

mheap 会基于bitMap标识内存中各页的使用情况，bit位为0代表该页是空闲的，为1代表该页已被mspan占用.
- 每棵基数树聚合了16 GB内存空间中各页使用情况的索引信息，用于帮助 mheap快速找到指定长度的连续空闲页的所在位置
mheap持有2¹⁴ 棵基数树，因此索引全面覆盖到 2¹⁴*16 GB = 256 T的内存空间.

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每个父 pallocSum有8个子pallocSum
根pallocSum总览全局，映射的 bitMap范围为全局的16 GB空间(其max最大值为2²¹，因此总空间大小为2²¹*8KB=16GB) ;
从首层向下是一个依次八等分的过程，每一个pallocSum映射其父节点bitMap范围的八分之一，因此第二层pallocSum的 bitMap 范围为16GB/8 = 2GB，以此类推，第五层节点的范围为16GB /(8⁴) = 4 MB，已经很小
聚合信息时，自底向上.每个父pallocSum聚合8个子pallocSum的start、max、end信息，形成自己的信息，直到根pallocSum，坐拥全局16 GB的start、max、end 信息
mheap寻页时，自顶向下.对于遍历到的每个pallocSum，先看起start 是否符合，是则寻页成功;再看max是否符合，是则进入其下层孩子pallocSum中进一步寻访;最后看end和下一个同辈pallocSum 的start聚合后是否满足，是则寻页成功.

每层节点
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基数树中，每个节点称之为PallocSum，是一个uint64类型，体现了索引的聚合信息，包含以下四部分:

start:最右侧21个bit，标识了当前节点映射的 bitMap 范围中首端有多少个连续的0 bit(空闲页)，称之为start;
max:中间21个bit，标识了当前节点映射的 bitMap范围中最多有多少个连续的0 bit(空闲页)，称之为max;
end:左侧21个 bit，标识了当前节点映射的 bitMap范围中最末端有多少个连续的0 bit(空闲页)，称之为end.
最左侧一个bit，弃置不用

基数树节点

heapArena

每个heapArena包含8192个页，大小为8192* 8KB = 64 MB
**heapArena记录了页到msplan的映射.**因为GC时，通过地址偏移找到页很方便，但找到其所属的mspan不容易.因此需要通过这个映射信息进行辅助.
heapArena是mheap向操作系统申请内存的单位(64MB)

对象分配流程

下面来串联 Golang中分配对象的流程，不论是以下哪种方式，最终都会殊途同归步入mallocgc方法中，并且根据3.1小节中的策略执行分配流程:

new(T)
&T{}
make(xxxx)

分配流程总览

Golang中，依据 object的大小，会将其分为下述三类∶

tiny微对象（0-16B）
small小对象（16B-32KB）
large大对象（32KB—）

不同类型的对象，会有着不同的分配策略，这些内容在mallocgc方法中都有体现.
核心流程类似于读多级缓存的过程，由上而下，每一步只要成功则直接返回.若失败，则由下层方法兜底.

对于微对象的分配流程︰

(1)从P专属mcache 的tiny 分配器取内存(无锁)
(2）根据所属的spanClass，从Р专属mcache 缓存的mspan中取内存（无锁)
(3）根据所属的spanClass 从对应的mcentral中取 mspan填充到mcache，然后从mspan中取内存(spanclass粒度锁)
(4）根据所属的spanClass，从 mheap 的页分配器 pageAlloc取得足够数量空闲页组装成mspan填充到mcache，然后从mspan中取内存(全局锁)
(5) mheap向操作系统申请内存，更新页分配器的索引信息，然后重复(4) .