go 内存管理

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内存分配步骤

go 给对象分配内存的主要流程:

  • object size > 32K,则使用 mheap 直接分配。
  • object size < 16 byte,使用 mcache 的小对象分配器 tiny 直接分配。 (其实 tiny * 就是一个指针,暂且这么说吧。)
  • object size > 16 byte && size <=32K byte 时,先使用 mcache 中对应的 size class 分配。
  • 如果 mcache 对应的 size class 的 span 已经没有可用的块,则向 mcentral 请求。
  • 如果 mcentral 也没有可用的块,则向 mheap 申请,并切分。
  • 如果 mheap 也没有合适的 span,则向操作系统申请。

关键数据结构

mcache

我们知道每个 Gorontine 的运行都是绑定到一个 P 上面,mcache 是每个 P 的 cache. 这样一个M处理mcache时就不需要加锁(因为同一时刻P只会绑定到一个M下)
mcache 结构如下:

// Per-thread (in Go, per-P) cache for small objects.
// No locking needed because it is per-thread (per-P).
type mcache struct {
   // 小对象分配器,小于 16 byte 的小对象都会通过 tiny 来分配。
    tiny             uintptr
    tinyoffset       uintptr
    local_tinyallocs uintptr // number of tiny allocs not counted in other stats

    // The rest is not accessed on every malloc.
    alloc [_NumSizeClasses]*mspan // spans to allocate from

    stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist
    .......
}

其中
alloc [_NumSizeClasses]*mspan,这是一个大小为 67 的指针(指针指向 mspan )数组(_NumSizeClasses = 67)),每个数组元素用来包含特定大小的块。当要分配内存大小时,为 object 在 alloc 数组中选择合适的元素来分配。67 种块大小为 0,8 byte, 16 byte, …

var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 208, 224, 240, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 576, 640, 704, 768, 896, 1024, 1152, 1280, 1408, 1536, 1792, 2048, 2304, 2688, 3072, 3200, 3456, 4096, 4864, 5376, 6144, 6528, 6784, 6912, 8192, 9472, 9728, 10240, 10880, 12288, 13568, 14336, 16384, 18432, 19072, 20480, 21760, 24576, 27264, 28672, 32768}

而mspan的结构如下:

type mspan struct {
    next *mspan     // next span in list, or nil if none
    prev *mspan     // previous span in list, or nil if none
    list *mSpanList // For debugging. TODO: Remove.
 // 用位图来管理可用的 free object,1 表示可用
    allocCache uint64
    
    ...
    sizeclass   uint8      // size class,大小的类别
    ...
    elemsize    uintptr    // computed from sizeclass or from npages
    ...
}

mcentral

当 mcache 不够用的时候,会从 mcentral 申请。mcentral存储在mheap当中

type mcentral struct {
    lock      mutex      // 可能多个P竞争,因此要有锁
    sizeclass int32     // 也会有67个块大小的类别区分
    nonempty  mSpanList // list of spans with a free object, ie a nonempty free list
    empty     mSpanList // list of spans with no free objects (or cached in an mcache)
}

type mSpanList struct {
    first *mspan
    last  *mspan
}

mheap

type mheap struct {
    lock      mutex
    free      [_MaxMHeapList]mSpanList // free lists of given length
    freelarge mSpanList                // free lists length >= _MaxMHeapList
    busy      [_MaxMHeapList]mSpanList // busy lists of large objects of given length
    busylarge mSpanList                // busy lists of large objects length >= _MaxMHeapList
    sweepgen  uint32                   // sweep generation, see comment in mspan
    sweepdone uint32                   // all spans are swept

    // allspans is a slice of all mspans ever created. Each mspan
    // appears exactly once.
    //
    // The memory for allspans is manually managed and can be
    // reallocated and move as the heap grows.
    //
    // In general, allspans is protected by mheap_.lock, which
    // prevents concurrent access as well as freeing the backing
    // store. Accesses during STW might not hold the lock, but
    // must ensure that allocation cannot happen around the
    // access (since that may free the backing store).
    allspans []*mspan // all spans out there

    // spans is a lookup table to map virtual address page IDs to *mspan.
    // For allocated spans, their pages map to the span itself.
    // For free spans, only the lowest and highest pages map to the span itself.
    // Internal pages map to an arbitrary span.
    // For pages that have never been allocated, spans entries are nil.
    //
    // This is backed by a reserved region of the address space so
    // it can grow without moving. The memory up to len(spans) is
    // mapped. cap(spans) indicates the total reserved memory.
    spans []*mspan

    // sweepSpans contains two mspan stacks: one of swept in-use
    // spans, and one of unswept in-use spans. These two trade
    // roles on each GC cycle. Since the sweepgen increases by 2
    // on each cycle, this means the swept spans are in
    // sweepSpans[sweepgen/2%2] and the unswept spans are in
    // sweepSpans[1-sweepgen/2%2]. Sweeping pops spans from the
    // unswept stack and pushes spans that are still in-use on the
    // swept stack. Likewise, allocating an in-use span pushes it
    // on the swept stack.
    sweepSpans [2]gcSweepBuf

    // central free lists for small size classes.
    // the padding makes sure that the MCentrals are
    // spaced CacheLineSize bytes apart, so that each MCentral.lock
    // gets its own cache line.
    central [_NumSizeClasses]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [sys.CacheLineSize]byte
    }
.....
}

mheap_ 是一个全局变量,会在系统初始化的时候初始化(在函数 mallocinit() 中)

  • allspans []*mspan: 所有的 spans 都是通过 mheap_ 申请,所有申请过的 mspan 都会记录在 allspans。结构体中的 lock 就是用来保证并发安全的。
  • central [_NumSizeClasses]…: 这个就是之前介绍的 mcentral ,每种大小的块对应一个 mcentral。
  • spans []*mspan: 记录 arena 区域页号(page number)和 mspan 的映射关系。

参考

Golang 内存管理

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本文来自:简书

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