「譯文」Go 語言內存管理與分配

內存管理與分配

原文：Memory Management and Allocation

本文基於Go1.13

當內存不被使用時，Go 標準庫會自動執行 Go 內存管理，即將內存分配到內存收集器。由於開發人員沒必要處理它，因此 Go 對隱含的內存管理進行了不少的優化而且衍生了不少概念。

堆上的分配

內存管理旨在在併發環境中快速運行，並與垃圾回收器集成在一塊兒。讓咱們從一個簡單的示例開始：

package main

type smallStruct struct {
   a, b int64
   c, d float64
}

func main() {
   smallAllocation()
}

//go:noinline
func smallAllocation() *smallStruct {
   return &smallStruct{}
}
複製代碼

註釋//go:noinline 將禁用經過刪除函數來優化代碼的內聯，所以最終沒有分配。

運行 Escape Analysis 命令 go tool compile "-m" main.go將確認Go所作的分配：

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

經過 go tool compile -S main.go，dump 該程序的彙編代碼，很清楚地顯示該程序內存如何被分配的：

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)
複製代碼

該函數 newobject 是新分配和代理 mallocgc（用於在堆上管理分配）的內置函數。Go中有兩種策略，一種用於較小的分配，一種用於較大的分配。

小分配

對於32kb如下的小分配，Go會嘗試從本地緩存中獲取,並稱之爲mcache。此緩存會維護一個span列表（32kb的內存塊），稱爲mspan，其中包含可用於分配的內存：

每一個線程M都分配給一個處理器P，一次最多處理一個goroutine。在分配內存時，當前的goroutine將使用其當前的本地緩存P來查找span列表中可用的第一個空閒對象。使用此本地緩存不須要鎖定，並使分配效率更高。

span列表能夠存儲不一樣的對象大小分爲8個字節到32k字節的70個大小類別。

每一個span存在兩次：一個不包含指針的對象列表和另外一個包含指針的對象列表。這種區別將使垃圾收集的工做更容易，由於它沒必要掃描不包含任何指針的範圍。

在咱們以前的示例中，結構的大小爲32個字節，並會被32個字節的填充的span：

如今，咱們可能想知道若是span在分配期間沒有空閒插槽，將會發生什麼？Go維護每一個大小類別的span的中心列表，稱爲mcentral，其中span包含自由對象和非自有對象：

mcentral 是一個維護着span的雙鏈表；他們每一個節點都有上一個span和下一個span的引用。非空列表中的span（「非空」表示列表中至少有一個空閒插槽可供分配）可能已經包含一些正在使用的內存。確實，當垃圾收集器清除內存時，它能夠清除span的一部分（標記爲再也不使用的那一部分），並將其放回非空列表中。

如今，咱們的程序能夠在沒有插槽的狀況下從中央列表請求span：

若是空列表中沒有新的span，Go須要一種方法來將新的span移到中心列表。如今將從堆中分配新的範圍，並將其連接到中央列表：

堆在須要時從OS中請求內存。若是須要更多的內存，堆將爲稱爲arena的64位體系結構分配稱爲64Mb 的大量內存，對於其餘大多數體系結構則分配4Mb。arena還使用內存映射來爲span映射內存頁面：

大量分配

Go不會使用本地緩存來管理大量分配。這些大於32kb的分配將舍入到頁面大小，而後將頁面直接分配給堆。

直接從堆進行大分配

如今，咱們能夠很好地瞭解內存分配過程當中正在發生的事情。讓咱們將全部組件放在一塊兒以得到完整視圖：

內存分配的組成部分

靈感

內存分配器最初基於TCMalloc，TCMalloc是Google建立的併發環境下優化的內存分配器。感興趣能夠閱讀：TCMalloc