原來(lái) 9 張圖就可以弄懂 Go 內(nèi)存管理

Illustration created for “A Journey With Go”, made from the original Go Gopher, created by Renee F

?? 這篇文章基于 Go 1.13。

在內(nèi)存從分配到回收的生命周期中，內(nèi)存不再被使用的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行 Go 的內(nèi)存管理。雖然開(kāi)發(fā)者不必操心這些細(xì)節(jié)，但是 Go 語(yǔ)言所做的底層管理經(jīng)過(guò)了很好的優(yōu)化，同時(shí)有很多有趣的概念。

堆上的分配

內(nèi)存管理被設(shè)計(jì)為可以在并發(fā)環(huán)境快速執(zhí)行，同時(shí)與垃圾收集器集成在了一起。從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子開(kāi)始：

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

注釋 //go:noinline 會(huì)禁用內(nèi)聯(lián)，以避免內(nèi)聯(lián)通過(guò)移除函數(shù)的方式優(yōu)化這段代碼，從而造成最終沒(méi)有分配內(nèi)存的情況出現(xiàn)。

通過(guò)運(yùn)行逃逸分析命令 go tool compile "-m" main.go 可以確認(rèn) Go 執(zhí)行了的分配：

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

借助 go tool compile -S main.go 命令得到這段程序的匯編代碼，可以同樣明確地向我們展示具體的分配細(xì)節(jié)：

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)

函數(shù) newobject 是用于新對(duì)象的分配以及代理 mallocgc 的內(nèi)置函數(shù)，該函數(shù)在堆上管理這些內(nèi)存。在 Go 語(yǔ)言中有兩種策略，一種用于較小的內(nèi)存空間的分配，而另一種則用于較大的內(nèi)存空間的分配。

較小內(nèi)存空間的分配策略

對(duì)于小于 32kb 的，較小的內(nèi)存空間的分配策略，Go 會(huì)從被叫做 mcache 的本地緩存中嘗試獲取內(nèi)存。這個(gè)緩存持有一個(gè)被叫做 mspan 的內(nèi)存塊(span ，32kb 大小的內(nèi)存塊)列表, mspan 包含著可用于分配的內(nèi)存：

用 mcache 分配內(nèi)存

每個(gè)線(xiàn)程 M 被分配一個(gè)處理器 P，并且一次最多處理一個(gè) goroutine。在分配內(nèi)存時(shí)，當(dāng)前的 goroutine 會(huì)使用它當(dāng)前的 P 的本地緩存，在 span 鏈表中尋找第一個(gè)可用的空閑對(duì)象。使用這種本地緩存不需要鎖操作，從而分配效率更高。

span 鏈表被劃分為 8 字節(jié)大小到 32k 字節(jié)大小的，約 70 個(gè)的大小等級(jí)，每個(gè)等級(jí)可以存儲(chǔ)不同大小的對(duì)象。

span 的大小等級(jí)

每個(gè) span 鏈表會(huì)存在兩份：一個(gè)鏈表用于不包含指針的對(duì)象而另一個(gè)用于包含指針的對(duì)象。這種區(qū)別使得垃圾收集器更加輕松，因?yàn)樗槐貟呙璨话魏沃羔樀?span。

在我們前面的例子中，結(jié)構(gòu)體的大小是 32 字節(jié)，因此它會(huì)適合于 32 字節(jié)的 span ：

現(xiàn)在，我們可能會(huì)好奇，如果在分配期間 span 沒(méi)有空閑的插槽會(huì)發(fā)生什么。Go 維護(hù)著每個(gè)大小等級(jí)的 span 的中央鏈表，該中央鏈表被叫做 mcentral，其中維護(hù)著包含空閑對(duì)象的 span 和沒(méi)有空閑對(duì)象的 span ：

span 的中央鏈表

mcentral 維護(hù)著 span 的雙向鏈表；其中每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)有著指向前一個(gè) span 和后一個(gè) span 的引用。非空鏈表中的 span 可能包含著一些正在使用的內(nèi)存，“非空”表示在鏈表中至少有一個(gè)空閑的插槽可供分配。當(dāng)垃圾收集器清理內(nèi)存時(shí)，可能會(huì)清理一部分 span，將這部分標(biāo)記為不再使用，并將其放回非空鏈表。

我們的程序現(xiàn)在可以在沒(méi)有插槽的情況下向中央鏈表請(qǐng)求 span ：

從 mcentral 中替換 span

如果空鏈表中沒(méi)有可用的 span，Go 需要為中央鏈表獲取新的 span 。新的 span 會(huì)從堆上分配，并鏈接到中央鏈表上：

從堆上分配 span

堆會(huì)在需要的時(shí)候從系統(tǒng)（ OS ）獲取內(nèi)存，如果需要更多的內(nèi)存，堆會(huì)分配一個(gè)叫做 arena 的大塊內(nèi)存，在 64 位架構(gòu)下為 64Mb，在其他架構(gòu)下大多為 4Mb。arena 同樣適用 span 映射內(nèi)存。