Golang 内存分配
一般的内存分配
一般而言, 内存都会被程序分为以下几个逻辑块
- 全局区: 存放全局变量
- 栈区: 存放函数中的基础类类型变量
- 堆区: 动态分配的内存, 比如 go 的切片
- 常量区: 存放常量数据
- 程序代码区: 存放程序本身的代码
go 内存分配思想
go 内置了运行时的编程语言(runtime), 所谓运行时, 就是在程序开始时就申请了一大块的虚拟内存, 由 go 自己进行分配和管理. 用来避免在运行的时候再向操作系统申请内存, 带来性能问题.
go 的内存分配核心思想是:
- 每次从操作系统申请一大块内存, 由 go 来对内存进行分配和管理, 减少系统调用
- 内存分配算法采用 google 的
TCMalloc
算法, 把内存切分的很细, 再通过多级进行管理, 降低锁粒度 - 回收对象内存时, 并不是真正的将内存返回给操作系统, 而是放回自己的大块内存中等待复用, 只有闲置过多时才会尝试返回部分内存给操作系统.
go 的内存结构
go 的内存结构分为三大块:
- spans(512MB): 存放 span 指针, 每个指针指向 arena 的一个 page
- bitmap(16GB): 保存 arena 对应的某个地址是否存在对象, 和对象是否 GC 信息
- arena(512GB): 真正存放值的地方, area 按照8KB 分配若干个 page
arena
arena 存放了真正的值, 很多人也把他称之为heap
, heap 从两个角度来看, 有两种说法
- 从内存分配角度: 按照 8KB 分配若干个 page, page合在一起组成了 heap
- 从使用角度: heap 存放若干个对象
spans
spans 可以理解为 heap 的户口信息, 用来管理 heap 区域的数据, spans 存放的是mspan
指针, 每个 page都属于某个mspan
bitmap
bitmap存放了 arena 中的对象标记, 比如标记对应的地址中是否存在对象, 是否被 GC 标记
因此, bitmap 主要还是为了服务 GC
go 内存管理组件
go 内存管理组件有以下几个:
- mspan: 内存管理基本单元, 管理
- mcache: 缓存, 每个运行时的 goroutine 都会绑定一个 mcache, mcache 会分配这个 goroutine 运行时需要的内存空间(mspan)
- mcentral: 为所有 mcache 切分好后备的 mspan, 收集给定大小和登记的所有 span
- mheap代表Go程序持有的所有堆空间。还会管理闲置的span,需要时向操作系统申请新内存
mspan
上面提到了名词mspan
, mspan 可以说是 go 内存管理的基本单元, 而 page 是内存存储的基本单元
mspan 可以解决内存碎片问题, 我们知道, 内存的地址都是连到一起的, 连续的, 举个例子, 同一时间申请了两个内存, a 和 b, a 和 b 是连续的, 两者在内存中是挨着的, 此时 b 被清理了, b 的地址内数据变成空, 此时申请存放新的数据, 并不会检测到 b 是空了就直接放到 b, 而是会在 b 后面申请 c, 这就造成了在内存中很可能有很多空位, 这就是内存碎片
go 为了解决内存碎片问题. 将内存分为67种, 每种有不同数量的 page, 这每一种就是 mspan.每次分配时, 根据数据的不同, 分配给不同的 mspan. 当某个 mspan 被清理后, 在语言内部将这个标记为已清理, 等待下一次重新使用
mchahe
为了避免多线程申请内存时不断的加锁, goroutine为每个线程分配了 span 内存块的缓存, 这个缓存即是 mcache, 每个goroutine都会绑定的一个 mcache, 避免了各个goroutine申请内存时存在锁竞争的情况
在 GMP 并发调度模型中, 每个 G 都绑定一个 mcache, 因此不会出现大家一起占用一个内存, 导致需要加锁竞争的情况, 提高速度
mcentral
mcentral保存一种特定类型的全局 mspan 列表,包括已分配出去的和未分配出去的, 目的是为所有 mcache 提供切分好的 mspan
有67种 mspan, 也就有67种 mcentral
每个 mcentral 都会包含两个 mspan的列表:
- 没有空闲对象或 mspan已经被 mcache缓存的 mspan列表
- 有空闲对象的 mspan列表
由于 mspan是全局的,会被所有的 mcache访问,所以会出现并发性问题,因而 mcentral会存在一个锁。
mheap
mheap可以认为是Go程序持有的整个堆空间, mheap全局唯一,可以认为是个全局变量
mheap 包含了整个 go 内部的 heap 数据信息, 除了 mcache, mcache被包含在GMP 中的 G 里
因为有些对象通过 mheap 分配(大于32kb), 而 mheap 全局唯一, 而 mcache有时候需要进行申请内存分配, 因为 GMP 中 G 不止一个, 所以为了防止资源竞争, 在 mheap 中有一个互斥锁, 保证同一时刻只有一个 G 可以申请内存