【青训营】Go Runtime学习笔记（二）内存分配原理

啊吃菠萝蜜呀
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这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的第2篇笔记

1. 前言

编写过C语言程序的肯定知道通过malloc()方法动态申请内存，其中内存分配器使用的是glibc提供的ptmalloc2。 除了glibc，业界比较出名的内存分配器有Google的tcmalloc和Facebook的jemalloc。二者在避免内存碎片和性能上均比glibc有比较大的优势，在多线程环境中效果更明显。

Golang中也实现了内存分配器，原理与tcmalloc类似，简单的说就是维护一块大的全局内存，每个线程(Golang中为P)维护一块小的私有内存，私有内存不足再从全局申请。

另外，内存分配与GC（垃圾回收）关系密切，所以了解GC前有必要了解内存分配的原理。

2. 基础概念

为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。 以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：

image.png 预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。

arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；

spans区域存放span的指针，每个指针对应一个或多个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)*指针大小8byte = 512M

bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。

2.1 span

span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

2.1.1 class

根据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：

image.png 上表中每列含义如下：

  • class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型
  • bytes/obj：该class代表对象的字节数
  • bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数*页大小
  • objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）
  • waste bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）

上表可见最大的对象是32K大小，超过32K大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。

2.1.2 span数据结构

span是内存管理的基本单位，每个span用于管理特定的class对象，根据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。

src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：

type mspan struct {
    next *mspan            //链表前向指针，用于将span链接起来
    prev *mspan            //链表前向指针，用于将span链接起来
    startAddr uintptr // 起始地址，也即所管理页的地址
    npages    uintptr // 管理的页数
    nelems uintptr // 块个数，也即有多少个块可供分配
    allocBits  *gcBits //分配位图，每一位代表一个块是否已分配
    allocCount  uint16     // 已分配块的个数
    spanclass   spanClass  // class表中的class ID
    elemsize    uintptr    // class表中的对象大小，也即块大小
}

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。

根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。

mcache和span的对应关系如下图所示：

image.png

mcache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态地从central中获取并缓存下来，根据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。

2.3 central

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。

src/runtime/mcentral.go:mcentral定义了central数据结构：

type mcentral struct {
    lock      mutex     //互斥锁
    spanclass spanClass // span class ID
    nonempty  mSpanList // non-empty 指还有空闲块的span列表
    empty     mSpanList // 指没有空闲块的span列表

    nmalloc uint64      // 已累计分配的对象个数
}
  • lock: 线程间互斥锁，防止多线程读写冲突
  • spanclass : 每个mcentral管理着一组有相同class的span列表
  • nonempty: 指还有内存可用的span列表
  • empty: 指没有内存可用的span列表
  • nmalloc: 指累计分配的对象个数

线程从central获取span步骤如下：

  1. 加锁
  2. 从nonempty列表获取一个可用span，并将其从链表中删除
  3. 将取出的span放入empty链表
  4. 将span返回给线程
  5. 解锁
  6. 线程将该span缓存进cache

线程将span归还步骤如下：

  1. 加锁
  2. 将span从empty列表删除
  3. 将span加入noneempty列表
  4. 解锁

上述线程从central中获取span和归还span只是简单流程，为简单起见，并未对具体细节展开。

2.4 heap

从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。

src/runtime/mheap.go:mheap定义了heap的数据结构：

type mheap struct {
    lock      mutex

    spans []*mspan

    bitmap        uintptr     //指向bitmap首地址，bitmap是从高地址向低地址增长的

    arena_start uintptr        //指示arena区首地址
    arena_used  uintptr        //指示arena区已使用地址位置

    central [67*2]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%sys.CacheLineSize]byte
    }
}
  • lock： 互斥锁
  • spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系
  • bitmap：bitmap的起始地址
  • arena_start: arena区域首地址
  • arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址
  • central: 每种class对应的两个mcentral

从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。

mheap内存管理示意图如下：

image.png 系统预分配的内存分为spans、bitmap、arean三个区域，通过mheap管理起来。接下来看内存分配过程。

3. 内存分配过程

针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：

  • (0, 16B) 且不包含指针的对象： Tiny分配
  • (0, 16B) 包含指针的对象：正常分配
  • [16B, 32KB] : 正常分配
  • (32KB, -) : 大对象分配 其中Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。

以申请size为n的内存为例，分配步骤如下：

  1. 获取当前线程的私有缓存mcache
  2. 根据size计算出适合的class的ID
  3. 从mcache的alloc[class]链表中查询可用的span
  4. 如果mcache没有可用的span则从mcentral申请一个新的span加入mcache中
  5. 如果mcentral中也没有可用的span则从mheap中申请一个新的span加入mcentral
  6. 从该span中获取到空闲对象地址并返回

4. 总结

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。

  1. Golang程序启动时申请一大块内存，并划分成spans、bitmap、arena区域
  2. arena区域按页划分成一个个小块
  3. span管理一个或多个页
  4. mcentral管理多个span供线程申请使用
  5. mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral

参考文献

  1. [The Go scheduler] morsmachine.dk/go-schedule…

  2. 协程调度 www.golangroadmap.com/books/goexp…

  3. [go runtime 简析] zhuanlan.zhihu.com/p/111370792

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