這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)如何分析Go語言內(nèi)存分配，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

鹽田網(wǎng)站制作公司哪家好，找創(chuàng)新互聯(lián)建站！從網(wǎng)頁設(shè)計、網(wǎng)站建設(shè)、微信開發(fā)、APP開發(fā)、自適應(yīng)網(wǎng)站建設(shè)等網(wǎng)站項目制作，到程序開發(fā)，運營維護(hù)。創(chuàng)新互聯(lián)建站成立于2013年到現(xiàn)在10年的時間，我們擁有了豐富的建站經(jīng)驗和運維經(jīng)驗，來保證我們的工作的順利進(jìn)行。專注于網(wǎng)站建設(shè)就選創(chuàng)新互聯(lián)建站。

Go語言內(nèi)置運行時（就是runtime），拋棄了傳統(tǒng)的內(nèi)存分配方式，改為自主管理。這樣可以自主地實現(xiàn)更好的內(nèi)存使用模式，比如內(nèi)存池、預(yù)分配等等。這樣，不會每次內(nèi)存分配都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。

Golang運行時的內(nèi)存分配算法主要源自 Google 為 C 語言開發(fā)的TCMalloc算法，全稱Thread-Caching Malloc。核心思想就是把內(nèi)存分為多級管理，從而降低鎖的粒度。它將可用的堆內(nèi)存采用二級分配的方式進(jìn)行管理：每個線程都會自行維護(hù)一個獨立的內(nèi)存池，進(jìn)行內(nèi)存分配時優(yōu)先從該內(nèi)存池中分配，當(dāng)內(nèi)存池不足時才會向全局內(nèi)存池申請，以避免不同線程對全局內(nèi)存池的頻繁競爭。

基礎(chǔ)概念
Go在程序啟動的時候，會先向操作系統(tǒng)申請一塊內(nèi)存（注意這時還只是一段虛擬的地址空間，并不會真正地分配內(nèi)存），切成小塊后自己進(jìn)行管理。

申請到的內(nèi)存塊被分配了三個區(qū)域，在X64上分別是512MB，16GB，512GB大小。

堆區(qū)總覽

arena區(qū)域就是我們所謂的堆區(qū)，Go動態(tài)分配的內(nèi)存都是在這個區(qū)域，它把內(nèi)存分割成8KB大小的頁，一些頁組合起來稱為mspan。

bitmap區(qū)域標(biāo)識arena區(qū)域哪些地址保存了對象，并且用4bit標(biāo)志位表示對象是否包含指針、GC標(biāo)記信息。bitmap中一個byte大小的內(nèi)存對應(yīng)arena區(qū)域中4個指針大?。ㄖ羔槾笮?8B ）的內(nèi)存，所以bitmap區(qū)域的大小是512GB/(4*8B)=16GB。

bitmap arena

bitmap arena

從上圖其實還可以看到bitmap的高地址部分指向arena區(qū)域的低地址部分，也就是說bitmap的地址是由高地址向低地址增長的。

spans區(qū)域存放mspan（也就是一些arena分割的頁組合起來的內(nèi)存管理基本單元，后文會再講）的指針，每個指針對應(yīng)一頁，所以spans區(qū)域的大小就是512GB/8KB*8B=512MB。除以8KB是計算arena區(qū)域的頁數(shù)，而最后乘以8是計算spans區(qū)域所有指針的大小。創(chuàng)建mspan的時候，按頁填充對應(yīng)的spans區(qū)域，在回收object時，根據(jù)地址很容易就能找到它所屬的mspan。

內(nèi)存管理單元
mspan：Go中內(nèi)存管理的基本單元，是由一片連續(xù)的8KB的頁組成的大塊內(nèi)存。注意，這里的頁和操作系統(tǒng)本身的頁并不是一回事，它一般是操作系統(tǒng)頁大小的幾倍。一句話概括：mspan是一個包含起始地址、mspan規(guī)格、頁的數(shù)量等內(nèi)容的雙端鏈表。

每個mspan按照它自身的屬性Size Class的大小分割成若干個object，每個object可存儲一個對象。并且會使用一個位圖來標(biāo)記其尚未使用的object。屬性Size Class決定object大小，而mspan只會分配給和object尺寸大小接近的對象，當(dāng)然，對象的大小要小于object大小。還有一個概念：Span Class，它和Size Class的含義差不多，

Size_Class = Span_Class / 2
這是因為其實每個 Size Class有兩個mspan，也就是有兩個Span Class。其中一個分配給含有指針的對象，另一個分配給不含有指針的對象。這會給垃圾回收機(jī)制帶來利好，之后的文章再談。

如下圖，mspan由一組連續(xù)的頁組成，按照一定大小劃分成object。

page mspan

Go1.9.2里mspan的Size Class共有67種，每種mspan分割的object大小是8*2n的倍數(shù)，這個是寫死在代碼里的：

// path: /usr/local/go/src/runtime/sizeclasses.go

const _NumSizeClasses = 67

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}
根據(jù)mspan的Size Class可以得到它劃分的object大小。 比如Size Class等于3，object大小就是32B。 32B大小的object可以存儲對象大小范圍在17B~32B的對象。而對于微小對象（小于16B），分配器會將其進(jìn)行合并，將幾個對象分配到同一個object中。

數(shù)組里最大的數(shù)是32768，也就是32KB，超過此大小就是大對象了，它會被特別對待，這個稍后會再介紹。順便提一句，類型Size Class為0表示大對象，它實際上直接由堆內(nèi)存分配，而小對象都要通過mspan來分配。

對于mspan來說，它的Size Class會決定它所能分到的頁數(shù)，這也是寫死在代碼里的：

// path: /usr/local/go/src/runtime/sizeclasses.go

const _NumSizeClasses = 67

var class_to_allocnpages = [_NumSizeClasses]uint8{0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 3, 2, 3, 1, 3, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 7, 6, 5, 4, 3, 5, 7, 2, 9, 7, 5, 8, 3, 10, 7, 4}
比如當(dāng)我們要申請一個object大小為32B的mspan的時候，在class_to_size里對應(yīng)的索引是3，而索引3在class_to_allocnpages數(shù)組里對應(yīng)的頁數(shù)就是1。

mspan結(jié)構(gòu)體定義：

// path: /usr/local/go/src/runtime/mheap.go

type mspan struct {
 //鏈表前向指針，用于將span鏈接起來
 next *mspan

//鏈表前向指針，用于將span鏈接起來
 prev *mspan

// 起始地址，也即所管理頁的地址
 startAddr uintptr

// 管理的頁數(shù)
 npages uintptr

// 塊個數(shù)，表示有多少個塊可供分配
 nelems uintptr

//分配位圖，每一位代表一個塊是否已分配
 allocBits *gcBits

// 已分配塊的個數(shù)
 allocCount uint16

// class表中的class ID，和Size Classs相關(guān)
 spanclass spanClass

// class表中的對象大小，也即塊大小
 elemsize uintptr
}
我們將mspan放到更大的視角來看：

mspan更大視角

上圖可以看到有兩個S指向了同一個mspan，因為這兩個S指向的P是同屬一個mspan的。所以，通過arena上的地址可以快速找到指向它的S，通過S就能找到mspan，回憶一下前面我們說的mspan區(qū)域的每個指針對應(yīng)一頁。

假設(shè)最左邊第一個mspan的Size Class等于10，根據(jù)前面的class_to_size數(shù)組，得出這個msapn分割的object大小是144B，算出可分配的對象個數(shù)是8KB/144B=56.89個，取整56個，所以會有一些內(nèi)存浪費掉了，Go的源碼里有所有Size Class的mspan浪費的內(nèi)存的大??；再根據(jù)class_to_allocnpages數(shù)組，得到這個mspan只由1個page組成；假設(shè)這個mspan是分配給無指針對象的，那么spanClass等于20。

startAddr直接指向arena區(qū)域的某個位置，表示這個mspan的起始地址，allocBits指向一個位圖，每位代表一個塊是否被分配了對象；allocCount則表示總共已分配的對象個數(shù)。

這樣，左起第一個mspan的各個字段參數(shù)就如下圖所示：

左起第一個mspan具體值

內(nèi)存管理組件
內(nèi)存分配由內(nèi)存分配器完成。分配器由3種組件構(gòu)成：mcache, mcentral, mheap。

mcache
mcache：每個工作線程都會綁定一個mcache，本地緩存可用的mspan資源，這樣就可以直接給Goroutine分配，因為不存在多個Goroutine競爭的情況，所以不會消耗鎖資源。

mcache的結(jié)構(gòu)體定義：

//path: /usr/local/go/src/runtime/mcache.go

type mcache struct {
 alloc [numSpanClasses]*mspan
}

numSpanClasses = _NumSizeClasses << 1
mcache用Span Classes作為索引管理多個用于分配的mspan，它包含所有規(guī)格的mspan。它是_NumSizeClasses的2倍，也就是67*2=134，為什么有一個兩倍的關(guān)系，前面我們提到過：為了加速之后內(nèi)存回收的速度，數(shù)組里一半的mspan中分配的對象不包含指針，另一半則包含指針。

對于無指針對象的mspan在進(jìn)行垃圾回收的時候無需進(jìn)一步掃描它是否引用了其他活躍的對象。 后面的垃圾回收文章會再講到，這次先到這里。

mcache

mcache在初始化的時候是沒有任何mspan資源的，在使用過程中會動態(tài)地從mcentral申請，之后會緩存下來。當(dāng)對象小于等于32KB大小時，使用mcache的相應(yīng)規(guī)格的mspan進(jìn)行分配。

mcentral
mcentral：為所有mcache提供切分好的mspan資源。每個central保存一種特定大小的全局mspan列表，包括已分配出去的和未分配出去的。 每個mcentral對應(yīng)一種mspan，而mspan的種類導(dǎo)致它分割的object大小不同。當(dāng)工作線程的mcache中沒有合適（也就是特定大小的）的mspan時就會從mcentral獲取。

mcentral被所有的工作線程共同享有，存在多個Goroutine競爭的情況，因此會消耗鎖資源。結(jié)構(gòu)體定義：

//path: /usr/local/go/src/runtime/mcentral.go

type mcentral struct {
 // 互斥鎖
 lock mutex

// 規(guī)格
 sizeclass int32

// 尚有空閑object的mspan鏈表
 nonempty mSpanList

// 沒有空閑object的mspan鏈表，或者是已被mcache取走的msapn鏈表
 empty mSpanList

// 已累計分配的對象個數(shù)
 nmalloc uint64
}
mcentral

empty表示這條鏈表里的mspan都被分配了object，或者是已經(jīng)被cache取走了的mspan，這個mspan就被那個工作線程獨占了。而nonempty則表示有空閑對象的mspan列表。每個central結(jié)構(gòu)體都在mheap中維護(hù)。

簡單說下mcache從mcentral獲取和歸還mspan的流程：

獲取
加鎖；從nonempty鏈表找到一個可用的mspan；并將其從nonempty鏈表刪除；將取出的mspan加入到empty鏈表；將mspan返回給工作線程；解鎖。

歸還
加鎖；將mspan從empty鏈表刪除；將mspan加入到nonempty鏈表；解鎖。

mheap
mheap：代表Go程序持有的所有堆空間，Go程序使用一個mheap的全局對象_mheap來管理堆內(nèi)存。

當(dāng)mcentral沒有空閑的mspan時，會向mheap申請。而mheap沒有資源時，會向操作系統(tǒng)申請新內(nèi)存。mheap主要用于大對象的內(nèi)存分配，以及管理未切割的mspan，用于給mcentral切割成小對象。

同時我們也看到，mheap中含有所有規(guī)格的mcentral，所以，當(dāng)一個mcache從mcentral申請mspan時，只需要在獨立的mcentral中使用鎖，并不會影響申請其他規(guī)格的mspan。

mheap結(jié)構(gòu)體定義：

//path: /usr/local/go/src/runtime/mheap.go

type mheap struct {
 lock mutex

// spans: 指向mspans區(qū)域，用于映射mspan和page的關(guān)系
 spans []*mspan

// 指向bitmap首地址，bitmap是從高地址向低地址增長的
 bitmap uintptr

// 指示arena區(qū)首地址
 arena_start uintptr

// 指示arena區(qū)已使用地址位置
 arena_used uintptr

// 指示arena區(qū)末地址
 arena_end uintptr

central [67*2]struct {
   mcentral mcentral
   pad [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%sys.CacheLineSize]byte
 }
}
mheap

上圖我們看到，bitmap和arena_start指向了同一個地址，這是因為bitmap的地址是從高到低增長的，所以他們指向的內(nèi)存位置相同。

內(nèi)存分配流程
上一篇文章《Golang之變量去哪兒》中我們提到了，變量是在棧上分配還是在堆上分配，是由逃逸分析的結(jié)果決定的。通常情況下，編譯器是傾向于將變量分配到棧上的，因為它的開銷小，最極端的就是"zero garbage"，所有的變量都會在棧上分配，這樣就不會存在內(nèi)存碎片，垃圾回收之類的東西。

Go的內(nèi)存分配器在分配對象時，根據(jù)對象的大小，分成三類：小對象（小于等于16B）、一般對象（大于16B，小于等于32KB）、大對象（大于32KB）。

大體上的分配流程：

32KB 的對象，直接從mheap上分配；
<=16B 的對象使用mcache的tiny分配器分配；
(16B,32KB] 的對象，首先計算對象的規(guī)格大小，然后使用mcache中相應(yīng)規(guī)格大小的mspan分配；

如果mcache沒有相應(yīng)規(guī)格大小的mspan，則向mcentral申請
如果mcentral沒有相應(yīng)規(guī)格大小的mspan，則向mheap申請
如果mheap中也沒有合適大小的mspan，則向操作系統(tǒng)申請
總結(jié)
Go語言的內(nèi)存分配非常復(fù)雜，它的一個原則就是能復(fù)用的一定要復(fù)用。源碼很難追，后面可能會再來一篇關(guān)于內(nèi)存分配的源碼閱讀相關(guān)的文章。簡單總結(jié)一下本文吧。

文章從一個比較粗的角度來看Go的內(nèi)存分配，并沒有深入細(xì)節(jié)。一般而言，了解它的原理，到這個程度也可以了。

Go在程序啟動時，會向操作系統(tǒng)申請一大塊內(nèi)存，之后自行管理。
Go內(nèi)存管理的基本單元是mspan，它由若干個頁組成，每種mspan可以分配特定大小的object。
mcache, mcentral, mheap是Go內(nèi)存管理的三大組件，層層遞進(jìn)。mcache管理線程在本地緩存的mspan；mcentral管理全局的mspan供所有線程使用；mheap管理Go的所有動態(tài)分配內(nèi)存。
極小對象會分配在一個object中，以節(jié)省資源，使用tiny分配器分配內(nèi)存；一般小對象通過mspan分配內(nèi)存；大對象則直接由mheap分配內(nèi)存。

go適合做什么

go是golang的簡稱，而golang可以做服務(wù)器端開發(fā)，且golang很適合做日志處理、數(shù)據(jù)打包、虛擬機(jī)處理、數(shù)據(jù)庫代理等工作。在網(wǎng)絡(luò)編程方面，它還廣泛應(yīng)用于web應(yīng)用、API應(yīng)用等領(lǐng)域。

上述就是小編為大家分享的如何分析Go語言內(nèi)存分配了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。