程序中的数据和变量都会被分配到程序所在的虚拟内存中，内存空间包含两个重要区域：栈区（Stack） 和 堆区（Heap）。函数调用的参数、返回值以及局部变量大都会被分配到栈上，这部分内存会由编译器进行管理。
设计原理
内存管理一般包含三个不同的组件，分别是 用户程序（Mutator）、分配器（Allocator）和收集器（Collector），当用户程序申请内存时，它会通过内存分配器申请新内存，而分配器会负责从堆中初始化相应的内存区域。
分配方法
线性分配器
虽然线性分配器实现为它带来了较快的执行速度以及较低的实现复杂度，但是线性分配器无法在内存被释放时重用内存。
空闲链表分配器
空闲链表分配器（Free-List Allocator）可以重用已经被释放的内存，它在内部会维护一个类似链表的数据结构。当用户程序申请内存时，空闲链表分配器会依次遍历空闲的内存块，找到足够大的内存，然后申请新的资源并修改链表：
因为不同的内存块通过指针构成了链表，所以使用这种方式的分配器可以重新利用回收的资源，但是因为分配内存时需要遍历链表，所以它的时间复杂度是 𝑂(𝑛)。空闲链表分配器可以选择不同的策略在链表中的内存块中进行选择，最常见的是以下四种：
- 首次适应（First-Fit）— 从链表头开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块；
- 循环首次适应（Next-Fit）— 从上次遍历的结束位置开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块；
- 最优适应（Best-Fit）— 从链表头遍历整个链表，选择最合适的内存块；
- 隔离适应（Segregated-Fit）— 将内存分割成多个链表，每个链表中的内存块大小相同，申请内存时先找到满足条件的链表，再从链表中选择合适的内存块；
Go 语言使用的内存分配策略与第四种策略有些相似
如上图所示，该策略会将内存分割成由 4、8、16、32 字节的内存块组成的链表，当我们向内存分配器申请 8 字节的内存时，它会在上图中找到满足条件的空闲内存块并返回。隔离适应的分配策略减少了需要遍历的内存块数量，提高了内存分配的效率。
分级分配
线程缓存分配（Thread-Caching Malloc，TCMalloc）是用于分配内存的机制，它的核心理念是使用多级缓存将对象根据大小分类，并按照类别实施不同的分配策略。
对象大小
运行时根据对象的大小将对象分成微对象、小对象和大对象三种：
| 类别 | 大小 |
|---|---|
| 微对象 | (0, 16B) |
| 小对象 | [16B, 32KB] |
| 大对象 | (32KB, +∞) |
程序中的绝大多数对象的大小都在 32KB 以下，而申请的内存大小影响 Go 语言运行时分配内存的过程和开销，所以分别处理大对象和小对象有利于提高内存分配器的性能。
多级缓存
内存分配器不仅会区别对待大小不同的对象，还会将内存分成不同的级别分别管理，TCMalloc 和 Go 运行时分配器都会引入 线程缓存（Thread Cache）、中心缓存（Central Cache）和页堆（Page Heap） 三个组件分级管理内存：
线程缓存属于每一个独立的线程 ，它能够满足线程上绝大多数的内存分配需求，因为不涉及多线程，所以也不需要使用互斥锁来保护内存，这能够减少锁竞争带来的性能损耗。当线程缓存不能满足需求时，运行时会使用中心缓存作为补充解决小对象的内存分配，在遇到 32KB 以上的对象时，内存分配器会选择页堆直接分配大内存。
这种多层级的内存分配设计与计算机操作系统中的多级缓存有些类似，因为多数的对象都是小对象，我们可以通过线程缓存和中心缓存提供足够的内存空间，发现资源不足时从上一级组件中获取更多的内存资源。
内存管理组件
Go 语言的内存分配器包含内存管理单元（runtime.mspan）、线程缓存（runtime.mcache）、中心缓存（runtime.mcentral）和页堆（runtime.mheap）几个重要组件。
所有的 Go 语言程序都会在启动时初始化如上图所示的内存布局，每一个处理器都会分配一个线程缓存 runtime.mcache用于处理微对象和小对象的分配，它们会持有内存管理单元 runtime.mspan。
每个类型的内存管理单元都会管理特定大小的对象，当内存管理单元中不存在空闲对象时，它们会从 runtime.mheap 持有的 134 个中心缓存 runtime.mcentral中获取新的内存单元，中心缓存属于全局的堆结构体 runtime.mheap，它会从操作系统中申请内存。
内存管理单元
runtime.mspan 是 Go 语言内存管理的基本单元，该结构体中包含 next 和 prev 两个字段，它们分别指向了前一个和后一个 runtime.mspan：
type mspan struct {
next *mspan
prev *mspan
...
}
串联后的上述结构体会构成如下双向链表，运行时会使用 runtime.mSpanList 存储双向链表的头结点和尾节点并在 线程缓存以及中心缓存 中使用。
线程缓存
runtime.mcache 它会与线程上的处理器一一绑定，主要用来缓存用户程序申请的微小对象。每一个线程缓存都持有 68 * 2 个 runtime.mspan，这些内存管理单元都存储在结构体的 alloc 字段中：
线程缓存在刚刚被初始化时是不包含 runtime.mspan 的，只有当用户程序申请内存时才会从上一级组件获取新的 runtime.mspan 满足内存分配的需求。
中心缓存
runtime.mcentral是内存分配器的中心缓存，与线程缓存不同，访问中心缓存中的内存管理单元需要使用互斥锁：
type mcentral struct {
spanclass spanClass
partial [2]spanSet
full [2]spanSet
}
每个中心缓存都会管理某个跨度类的内存管理单元，它会同时持有两个 runtime.spanSet，分别存储包含空闲对象和不包含空闲对象的内存管理单元。
线程缓存会通过中心缓存的 runtime.mcentral.cacheSpan方法获取新的内存管理单元
页堆
runtime.mheap是内存分配的核心结构体，Go 语言程序会将其作为全局变量存储，而堆上初始化的所有对象都由该结构体统一管理，该结构体中包含两组非常重要的字段，其中一个是全局的中心缓存列表 central，另一个是管理堆区内存区域的 arenas 以及相关字段。
页堆中包含一个长度为 136 的 runtime.mcentral 数组，其中 68 个为跨度类需要 scan 的中心缓存，另外的 68 个是 noscan 的中心缓存：
内存分配过程
堆上所有的对象都会通过调用 runtime.newobject分配指定大小的内存空间，这也是用户程序向堆上申请内存空间的必经函数：
func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
mp := acquirem()
mp.mallocing = 1
c := gomcache()
var x unsafe.Pointer
noscan := typ == nil || typ.ptrdata == 0
if size <= maxSmallSize {
if noscan && size < maxTinySize {
// 微对象分配
} else {
// 小对象分配
}
} else {
// 大对象分配
}
publicationBarrier()
mp.mallocing = 0
releasem(mp)
return x
}
上述代码使用 runtime.gomcache 获取线程缓存并判断申请内存的类型是否为指针。我们从这个代码片段可以看出 runtime.mallocgc 会根据对象的大小执行不同的分配逻辑：
- 微对象
(0, 16B)— 先使用微型分配器，再依次尝试线程缓存、中心缓存和堆分配内存； - 小对象
[16B, 32KB]— 依次尝试使用线程缓存、中心缓存和堆分配内存； - 大对象
(32KB, +∞)— 直接在堆上分配内存；
