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Go语言内存管理简述

内存管理是非常重要的一个话题。关于编程语言是否应该支持垃圾回收就有个搞笑的争论,一派人认为,内存管理太重要了,而手动管理麻烦且容易出错,所以我们应该交给机器去管理。另一派人则认为,内存管理太重要了!所以如果交给机器管理我不能放心。争论归争论,但不管哪一派,大家对内存管理重要性的认同都是勿庸质疑的。

Go语言是一门带垃圾回收的语言,Go语言中有指针,却没有C语言中那么灵活的指针操作。大多数情况下是不需要用户自己去管理内存的,但是理解Go语言是如何做内存管理对于写出优秀的程序是大有帮助的。

内存池概述

Go语言的内存分配器采用了跟 tcmalloc 库相同的实现,是一个带内存池的分配器,底层直接调用操作系统的 mmap 等函数。

作为一个内存池,它的基本部分包括以下几部分:

在多线程方面,很自然的做法就是每条线程都有自己的本地的内存,然后有一个全局的分配链,当某个线程中内存不足后就向全局分配链中申请内存。这样就避免了多线程同时访问共享变量时的加锁。

在避免内存碎片方面,大块内存直接按页为单位分配,小块内存会切成各种不同的固定大小的块,申请做任意字节内存时会向上取整到最接近的块,将整块分配给申请者以避免随意切割。

Go语言中为每个系统线程分配一个本地的 MCache(前面介绍的结构体 M 中的 MCache 域),少量的地址分配就直接从 MCache 中分配,并且定期做垃圾回收,将线程的 MCache 中的空闲内存返回给全局控制堆。小于 32K 为小对象,大对象直接从全局控制堆上以页(4k)为单位进行分配,也就是说大对象总是以页对齐的。一个页可以存入一些相同大小的小对象,小对象从本地内存链表中分配,大对象从中心内存堆中分配。

大约有 100 种内存块类别,每一个类别都有自己对象的空闲链表。小于 32kB 的内存分配被向上取整到对应的尺寸类别,从相应的空闲链表中分配。一页内存只可以被分裂成同一种尺寸类别的对象,然后由空闲链表分配器管理。

分配器的数据结构包括:

我们可以将Go语言的内存管理看成一个两级的内存管理结构 MHeap 和 MCache。上面一级管理的基本单位是页,用于分配大对象,每次分配都是若干连续的页,也就是若干个 4KB 的大小。使用的数据结构是 MHeap 和 MSpan,用 BestFit 算法做分配,用位示图做回收。下面一级管理的基本单位是不同类型的固定大小的对象,更像一个对象池而不是内存池,用引用计数做回收。下面这一级使用的数据结构是 MCache。

MHeap

Go语言的程序在启动之初,会一次性从操作系统那里申请一大块内存作为内存池。这块内存空间会放在一个叫 Mheap 的 struct 中管理,Mheap 负责将这一整块内存切割成不同的区域,并将其中一部分的内存切割成合适的大小,分配给用户使用。

MHeap 层次用于直接分配较大(>32kB)的内存空间,以及给 MCentral 和 MCache 等下层提供空间。它管理的基本单位是 MSpan。MSpan 是一个表示若干连续内存页的数据结构,简化后如下:
struct MSpan
{
    PageID     start;          // starting page number
    uintptr     npages;        // number of pages in span
};
通过一个基地址 +(页号*页大小),就可以定位到这个 MSpan 的实际的地址空间了,基地址是在 MHeap 中存储了的,MHeap 负责将 MSpan 组织和管理起来。

free 是一个分配池,从 free[i] 出去的 MSpan 每个大小都是 i 页的,总共 256 个槽位。再大了之后,大小就不固定了,由 large 链起来。

Go语言在这里使用的类似于位示图,可以看到 MHeap 中有一个。

MSpan  *map[1<<MHeapMap_Bits];

这个数组是一个用于将内存地址映射成 MSpan 结构体的表,每个内存页都会对应到 map 中的一个 MSpan 指针,通过 map 就能够将地址映射到相应的 MSpan。

具体做法是,给定一个地址,通过 (地址-基地址) / 页大小得到页号,再通过 map[页号] 就得到了相应的 MSpan 结构体。

前面说过 MSpan 就是若干连续的页。那么,一个多页的 MSpan 会占用 map 数组中的多项,有多少页就会占用多少项。比如,map[502] 到 map[505] 可能都指向同一个 MSpan,这个 MSpan 的 PageId 为 502,npages 为 4。

回收一个 MSpan 时,首先会查找它相邻的页的址址,再通过 map 映射得到该页对应的 MSpan,如果 MSpan 的 state 是未使用,则可以将两者进行合并。最后会将这页或者合并后的页归还到 free[] 分配池或者是 large 中。

MCache

MCache 层次跟 MHeap 层次非常像,也是一个分配池,对每个尺寸的类别都有一个空闲对象的单链表。Go 的内存管理可以看成一个两级的层次,上面一级是 MHeap 层次,而 MCache 则是下面一级。

每个 M 都有一个自己的局部内存缓存 MCache,这样分配小对象的时候直接从 MCache 中分配,就不用加锁了,这是Go语言能够在多线程环境中高效地进行内存分配的重要原因。MCache 就是用于小对象的分配。

分配一个小对象(<32kB)的过程:

注意上面表述中的用词“一些”。从 MCentral 中拿“一些“自由链对象补充 MCache 分摊了访问 MCentral 加锁的开销。从 MHeap 中分配“一些“的页补充 MCentral 分摊了对 MHeap 加锁的开销。

释放一个小对象也是类似的过程:

归还到 MHeap 就结束了,目前还是没有归还到操作系统。

MCache 层次仅用于分配小对象,分配和释放大的对象则是直接使用 MHeap 的,跳过 MCache 和 MCentral 自由链。MCache 和 MCentral 中自由链的小对象可能是也可能不是清 0 了的。对象的第 2 个字节作为标记,当它是 0 时,此对象是清 0 了的。页堆中的总是清零的,当一定范围的对象归还到页堆时,需要先清零。这样才符合Go语言规范:分配一个对象不进行初始化,它的默认值是该类型的零值。

MCentral

MCentral 层次是作为 MCache 和 MHeap 的连接。对上,它从 MHeap 中申请 MSpan;对下,它将 MSpan 划分成各种小尺寸对象,提供给 MCache 使用。
struct  MCentral
{
    Lock;
    int32  sizeclass;
    MSpan  nonempty;
    MSpan  empty;
    int32  nfree;
};
注意,每个 MSpan 只会分割成同种大小的对象。每个 MCentral 也是只含同种大小的对象。MCentral 结构中,有一个 nonempty 的 MSpan 链和一个 empty 的 MSpan 链,分别表示还有空间的 MSpan 和装满了对象的 MSpan。

分配还是很简单,直接从 MCentral->nonempty->freelist 分配。如果发现 freelist 空了,则说明这一块 MSpan 满了,将它移到 MCentral->empty。

前面说过,回收比分配复杂,因为涉及到合并。这里的合并是通过引用计数实现的。从 MSpan 中每划出一个对象,则引用计数加一,每回收一个对象,则引用计数减一。如果减完之后引用计数为零了,则说明这整块的 MSpan 已经没被使用了,可以将它归还给 MHeap。

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