Go语言内存分配器的实现

前几天断断续续的写了3篇关于Go语言内存分配器的文章，分别是Go语言内存分配器设计、Go语言内存分配器-FixAlloc、Go语言内存分配器-MSpan，这3篇主要是本文的前戏，其实所有的内容本可以在一篇里写完的，但内容实在太多了，没精力一口气搞定。本文将把整个内存分配器的架构以及核心组件给详细的介绍一下，当然亲自对照着翻看一下代码才是王道。

内存布局结构图

我把整个核心代码的逻辑给抽象绘制出了这个内存布局图，它基本展示了Go语言内存分配器的整体结构以及部分细节（这结构图应该同样适用于tcmalloc）。从此结构图来看，内存分配器还是有一点小复杂的，但根据具体的逻辑层次可以拆成三个大模块——cache，central，heap，然后一个一个的模块分析下去，逻辑就显得特别清晰明了了。位于结构图最下边的Cache就是cache模块部分；central模块对应深蓝色部分的MCentral，central模块的逻辑结构很简单，所以结构图就没有详细的绘制了；Heap是结构图中的核心结构，对应heap模块，也可以看出来central是直接被Heap管理起来的，属于Heap的子模块。

在分析内存分配器这部分源码的时候，首先需要明确的是所有内存分配的入口，有了入口就可以从这里作为起点一条线的看下去，不会有太大的障碍。这个入口就是malloc.goc源文件中的runtime·mallocgc函数，这个入口函数的主要工作就是分配内存以及触发gc(本文将只介绍内存分配)，在进入真正的分配内存之前，此入口函数还会判断请求的是小内存分配还是大内存分配(32k作为分界线)；小内存分配将调用runtime·MCache_Alloc函数从Cache获取，而大内存分配调用runtime·MHeap_Alloc直接从Heap获取。入口函数过后，就会真正的进入到具体的内存分配过程中去了。

在真正进入内存分配过程之前，还需要了解一下整个内存分配器是如何创建的以及初始化成什么样子。完成内存分配器创建初始化的函数是runtime·mallocinit，看一下简化的源码：

void
runtime·mallocinit(void)
{
	// 创建mheap对象，这个是直接从操作系统分配内存。heap是全局的，所有线程共享，一个Go进程里只有一个heap。
	if((runtime·mheap = runtime·SysAlloc(sizeof(*runtime·mheap))) == nil)
		runtime·throw("runtime: cannot allocate heap metadata");

	// 64位平台，申请一大块内存地址保留区，后续所有page的申请都会从这个地址区里分配。这个区就是结构图中的arena。 
	if(sizeof(void*) == 8 && (limit == 0 || limit > (1<<30))) {
		arena_size = MaxMem;
		bitmap_size = arena_size / (sizeof(void*)*8/4);
		p = runtime·SysReserve((void*)(0x00c0ULL<<32), bitmap_size + arena_size);
	}

	// 初始化好heap的arena以及bitmap。
	runtime·mheap->bitmap = p;
	runtime·mheap->arena_start = p + bitmap_size;
	runtime·mheap->arena_used = runtime·mheap->arena_start;
	runtime·mheap->arena_end = runtime·mheap->arena_start + arena_size;

	// 初始化heap的其他内部结构，如：spanalloc、cacachealloc都FixAlloc的初始化，free、large字段都是挂载维护span的双向循环链表。
	runtime·MHeap_Init(runtime·mheap, runtime·SysAlloc);
	
	// 从heap的cachealloc从分配MCache，挂在一个线程上。
	m->mcache = runtime·allocmcache();
}

初始化过程主要是在折腾mcache和mheap两个部分，而mcentral在实际逻辑中是属于mheap的子模块，所以初始化过程就没明确的体现出来，这和我绘制的结构图由两大块构造相对应。heap是所有底层线程共享的；而cache是每个线程都分别拥有一个，是独享的。在64位平台，heap从操作系统申请的内存地址保留区只有136G，其中bitmap需要8G空间，因此真正可申请的内存就是128G。当然128G在绝大多数情况都是够用的，但我所知道的还是有个别特殊应用的单机内存是超过128G的。

下面按小内存分配的处理路径，从cache到central到heap的过程详细介绍一下。

Cache

cache的实现主要在mcache.c源文件中，结构MCache定义在malloc.h中，从cache中申请内存的函数原型:

void *runtime·MCache_Alloc(MCache *c, int32 sizeclass, uintptr size, int32 zeroed)

参数size是需要申请的内存大小，需要知道的是这个size并不一定是我们申请内存的时候指定的大小，一般来说它会稍大于指定的大小。从结构图上可以清晰看到cache有一个0到n的list数组，list数组的每个单元挂载的是一个链表，链表的每个节点就是一块可用的内存，同一链表中的所有节点内存块都是大小相等的；但是不同链表的内存大小是不等的，也就是说list数组的一个单元存储的是一类固定大小的内存块，不同单元里存储的内存块大小是不等的。这就说明cache缓存的是不同类大小的内存对象，当然想申请的内存大小最接近于哪类缓存内存块时，就分配哪类内存块。list数组的0到n下标就是不同的sizeclass，n是一个固定值等于60，所以cache能够提供60类(0

runtime·MCache_Alloc分配内存的过程是，根据参数sizeclass从list数组中取出一个内存块链表，如果这个链表不为空，就直接把第一个节点返回即可；如果链表是空，说明cache中没有满足此类大小的缓存内存，这个时候就调用runtime·MCentral_AllocList从central中获取 **一批** 此类大小的内存块，再把第一个节点返回使用，其他剩余的内存块挂到这个链表上，为下一次分配做好缓存。

cache上的内存分配逻辑很简单，就是cache取不到就到central中去取。除了内存的分配外，cache上还存在很多的状态计数器，主要是用来统计内存的分配情况，比如：分配了多少内存，缓存了多少内存等等。这些状态计数器非常重要，可以用来监控我们程序的内存管理情况以及profile等，runtime包里的MemStats类的数据就是来自这些底层的计数器。

cache的释放条件主要有两个，一是当某个内存块链表过长（>=256）时，就会截取此链表的一部分节点，返还给central；二是整个cache缓存的内存过大(>=1M)，同样将每个链表返还一部分节点给central。

cache层在进行内存分配和释放操作的时候，是没有进行加锁的，也不需要加锁，因为cache是每个线程独享的。所以cache层的主要目的就是提高小内存的频繁分配释放速度。

Central

malloc.h源文件里MHeap结构关于central的定义如下：

struct MHeap
{
	。。。
	
	struct {
		MCentral;
		byte pad[CacheLineSize];
	} central[NumSizeClasses];
	
	。。。
}

结合结构图可以看出，在heap结构里，使用了一个0到n的数组来存储了一批central，并不是只有一个central对象。从上面结构定义可以知道这个数组长度位61个元素，也就是说heap里其实是维护了61个central，这61个central对应了cache中的list数组，也就是每一个sizeclass就有一个central。所以，在cache中申请内存时，如果在某个sizeclass的内存链表上找不到空闲内存，那么cache就会向对应的sizeclass的central获取一批内存块。注意，这里central数组的定义里面使用填充字节，这是因为多线程会并发访问不同central避免false sharing。

central的实现主要在mcentral.c源文件，核心结构MCentral定义在malloc.h中，结构如下：

struct MCentral
{
	Lock;
	int32 sizeclass;
	MSpan nonempty;
	MSpan empty;
	int32 nfree;
};

MCentral结构中的nonempty和empty字段是比较重要的，重点解释一下这两个字段。这两字段都是MSpan类型，大胆的猜测一下这两个字段将分别挂一个span节点构造的双向链表（MSpan在上一篇文章详细介绍了），只是这个双向链表的头节点不作使用罢了。nonempty字面意思是非空，表示这个链表上存储的span节点都是非空状态，也就是说这些span节点都有空闲的内存；empty表示此链表存储的span都是空的，它们都没有空闲可用的内存了。其实一开始empty链表就是空的，是当nonempty上的的一个span节点被用完后，就会将span移到empty链表中。

我们知道cache在内存不足的时候，会通过runtime·MCentral_AllocList从central获取一批内存块，central其实也只有cache一个上游用户，看一下此函数的简化逻辑：

int32
runtime·MCentral_AllocList(MCentral *c, int32 n, MLink **pfirst)
{
	runtime·lock(c);

	// 第一部分：判断nonempty是否为空，如果是空的话，就需要从heap中获取span来填充nonempty链表了。		
	// Replenish central list if empty.
	if(runtime·MSpanList_IsEmpty(&c->nonempty)) {
		if(!MCentral_Grow(c)) {
			。。。。。。。
		}
	}

	// 第二部分：从nonempty链表上取一个span节点，然后从span的freelist里获取足够的内存块。这个span内存不足时，就有多少拿多少了。
	s = c->nonempty.next;
	cap = (s->npages << PageShift) / s->elemsize;
	avail = cap - s->ref;
	if(avail < n)
		n = avail;

	// First one is guaranteed to work, because we just grew the list.
	first = s->freelist;
	last = first;
	for(i=1; inext;
	}
	s->freelist = last->next;
	last->next = nil;
	s->ref += n;
	c->nfree -= n;

	// 第三部分：如果上面的span内存被取完了，就将它移到empty链表中去。
	if(n == avail) {
		runtime·MSpanList_Remove(s);
		runtime·MSpanList_Insert(&c->empty, s);
	}

	runtime·unlock(c);
	
	// 第四部分：最后将取得的内存块链通过参数pfirst返回。
	*pfirst = first;
	return n;
}

从central中获取一批内存块交给cache的过程，看上去也不怎么复杂，只是这个过程是需要加锁的。这里重点要关注第一部分填充nonempty的情况，也就是central没有空闲内存，需要向heap申请。这里调用的是MCentral_Grow函数。MCentral_Grow函数的主要工作是，首先调用runtime·MHeap_Alloc函数向heap申请一个span；然后将span里的连续page给切分成central对应的sizeclass的小内存块，并将这些小内存串成链表挂在span的freelist上；最后将span放入到nonempty链表中。central在无空闲内存的时候，向heap只要了一个span，不是多个；申请的span含多少page是根据central对应的sizeclass来确定。

central中的内存分配过程搞定了，看一下大概的释放过程。cache层在释放内存的时候，是将一批小内存块返还给central，central在收到这些归还的内存块的时候，会把每个内存块分别还给对应的span。在把内存块还给span后，如果span先前是被用完了内存，待在empty链表中，那么此刻就需要将它移动到nonempty中，表示又有可用内存了。在归还小内存块给span后，如果span中的所有page内存都收回来了，也就是没有任何内存被使用了，此刻就会将这个span整体归还给heap了。

在central这一层，内存的管理粒度基本就是span了，所以span是非常重要的一个工具组件。

Heap

总算来到了最大的一层heap，这是离Go程序最远的一层，离操作系统最近的一层，这一层主要就是从操作系统申请内存交给central等。heap的核心结构MHeap定义在malloc.h中，一定要细看。不管是通过central从heap获取内存，还是大内存情况跳过了cache和central直接向heap要内存，都是调用如下函数来请求内存的。

MSpan* runtime·MHeap_Alloc(MHeap *h, uintptr npage, int32 sizeclass, int32 acct, int32 zeroed)

函数原型可以看出，向heap要内存，不是以字节为单位，而是要多少个page。参数npage就是需要的page数量，sizeclass等于0，就是绕过cache和central的直接找heap的大内存分配；central调用此函数时，sizecalss一定是1到60的一个值。从heap中申请到的所有page肯定都是连续的，并且是通过span来管理的，所以返回值是一个span，不是page数组等。

真正在heap中执行内存分配逻辑的是位于mheap.c中的MHeap_AllocLocked函数。分析此函数的逻辑前，先看一下结构图中heap的free和large两个域。free是一个256个单元的数组，每个单元上存储的都是一个span链表；但是不同的单元span含page的个数也是不同的，span含page的个数等于此span所在单元的下标，比如：free[5]中的span都含有5个page。如果一个span的page数超过了255，那这个span就会被放到large链表中。

从heap中要内存，首先是根据请求的page数量到free或者large中获取一个最合适的span。当然，如果在large链表中都找不到合适的span，就只能调用MHeap_Grow函数从操作系统申请内存，然后填充Heap，再试图分配。拿到的span所含page数大于了请求的page数的的时候，并不会将整个span返回使用，而是对这个span进行拆分，拆为两个span，将剩余span重新放回到free或者large链表中去。因为heap面对的始终是page，如果全部返回使用，可能就会太浪费内存了，所以这里只返回请求的page数是有必要的。

从heap中请求出去的span，在遇到内存释放退还给heap的时候，主要也是将span放入到free或者large链表中。

heap比骄复杂的不是分配释放内存，而是需要维护很多的元数据，比如结构图还没有介绍的map域，这个map维护的就是page到span的映射，也就是任何一块内存在算出page后，就可以知道这块内存属于哪个span了，这样才能做到正确的内存回收。除了map以外，还有bitmap等结构，用来标记内存，为gc服务。

后面对垃圾收集器(gc)的分析时，还会回头来看heap。本文内容已经够多了，但确实还有很多的细节没有介绍到，比如：heap是如何从操作系统拿内存、heap中存在一个2分钟定时强制gc的goroutine等等。

强烈建议熟悉C语言的，亲自看看源码，里面有太多有趣的细节了。

注意：本文基于Go1.1.2版本代码。

** 在C语言的世界里，内存管理是最头痛的事情，同时也是最酷的事情。

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