Go 内存管理和分配

本文基于 Go 1.13，英文原文 Go: Memory Management and Allocation (opens in a new tab)

当不再使用内存时，Go 的标准库会自动完成从分配到回收的内存管理。尽管开发人员并不需要处理它，但是 Go 进行的基础管理已经得到了很好地优化，并且充满了有趣的概念。

Allocation on the heap

内存管理旨在并发环境中快速执行并且与垃圾收集器集成在一起。让我们看看下面这个简单的示例：

package main
 
type smallStruct struct {
   a, b int64
   c, d float64
}
 
func main() {
   smallAllocation()
}
 
//go:noinline
func smallAllocation() *smallStruct {
   return &smallStruct{}
}

标注 //go:noinline 是为了禁止编译时删除函数的内联优化，因为该优化会导致这里没有内存分配。

运行逃逸分析命令 go tool compile "-m" main.go 来确定 Go 的内存分配：

main.go:14:9: &smallStruct literal escapes to heap

借助 go tool compile -S main.go 输出应用的汇编代码，可以明确的看到内存分配过程：

0x001d 00029 (main.go:14)   LEAQ   type."".smallStruct(SB), AX
0x0024 00036 (main.go:14)  PCDATA $0, $0
0x0024 00036 (main.go:14)  MOVQ   AX, (SP)
0x0028 00040 (main.go:14)  CALL   runtime.newobject(SB)

函数 newobject 是用于新分配和代理 mallocgc 的的内建函数，该函数在堆上管理内存。在 Go 中有两种策略，一种用于分配较小的内存，一种用于分配较大的内存。

Small allocation

对于 32 kb 以下的小的内存分配来说，Go 会尝试从名为 mcache 的本地缓存中获取内存。这个缓存处理了一个称为 mspan 的 span（32 kb 的内存块）列表，其中包含了可用于分配的内存：

每个线程 M 都被分配给了一个处理器 P，并且一次最多处理一个 Goroutine。当分配内存时，我们的当前的 Goroutine 将会使用它的 P的本地缓存来查询在 span 列表中第一个可用的空闲对象。使用本地缓存不需要加锁，因此分配更加高效。

span 列表被划分为了大约 70 个大小的类别，从 8 bytes 到 32k bytes，可以存储不同的对象大小：

每个 span 存在两次：一个不包含指针的对象列表和一个包含指针的对象列表。因为不需要扫描不包含任何指针的 span，这种区别使得垃圾收集器更加轻松。

在我们前面的例子中，结构体的大小为 32 bytes，匹配 32 bytes 的 span：

现在，我们可以想象下，如果 span 在分配过程中没有足够的槽该怎么办呢？Go 集中维护了一系列的各种大小类别的 span 列表，称之为 mcentral，其中包含空闲对象的 spans 和已用的 spans：

mcentral 维护了一个 spans 的双向链表；每一个项都有一个之前 span 和下一个 span 的指针。非空 span 列表 —— “非空” 表示列表中至少有一个空闲的槽供分配——可能包含一些已经在使用的内存。确实这样，当垃圾收集器清除内存的时候，它可以清除部分 span （被标记为不再使用的部分）—— 并将其放回到非空列表中。

我们的程序现在可以从 central 列表中请求一个 span（如果槽用完了）：