内存管理

内存管理的基本要求有两点：

根据应用程序的请求动态分配内存给程序
并在不再需要时释放它以供重用

内存管理通常可以分为两类:

手动内存管理：C、C++
自动内存管理：Go、Java….
手动+自动管理：Ada、Modula-3、C++/CLI…

虚拟内存布局

(m)page

go中，单个内存页(page)的大小为8KB

(m)span

一组page构成一个span，span的大小由sizeClass表示，sizeClass共有67种:

// class  bytes/obj  bytes/span  objects  tail waste  max waste  min align
//     1          8        8192     1024           0     87.50%          8
//     2         16        8192      512           0     43.75%         16
//     3         24        8192      341           8     29.24%          8
//     4         32        8192      256           0     21.88%         32
//     5         48        8192      170          32     31.52%         16
//     6         64        8192      128           0     23.44%         64
//     7         80        8192      102          32     19.07%         16
//     8         96        8192       85          32     15.95%         32
//     9        112        8192       73          16     13.56%         16
//  ...
//    63      21760       65536        3         256      6.25%        256
//    64      24576       24576        1           0     11.45%       8192
//    65      27264       81920        3         128     10.00%        128
//    66      28672       57344        2           0      4.91%       4096
//    67      32768       32768        1           0     12.50%       8192

表中各列的含义分别为: 类别、span中存储的对象的最小大小、 span的大小、 span中能否存放的对象数量、span尾部浪费的大小、最大的浪费空间、最小的对齐系数

以表中的第四个跨度类为例，跨度类为 5 的 runtime.mspan 中对象的大小上限为 48 字节、管理 1 个页、最多可以存储 170 个对象。因为内存需要按照页进行管理，所以在尾部会浪费 32 字节的内存，当页中存储的对象都是 33 (32 + 1) 字节时，最多会浪费 31.52% 的资源：

\frac{(48−33)∗170+32}{8192}=0.31518

虚拟内存中实际正在使用的内存称为Resident Set（驻留内存)。

页堆（page heap, mheap）

mheap通过将span归类为不同结构进行管理的：

arena: 使用arena来管理内存，每个arena管理的大小为64MB
mspan：mspan是mheap中管理的内存页的最基本结构。这是一个双向链接列表，其中包含起始页面的地址，span size class和span中的页面数量。像TCMalloc一样，Go将内存页按大小分为67个不同类别，大小从8字节到32KB，如下图所示

每个span存在两个，一个span用于带指针的对象（scan class），一个用于无指针的对象（noscan class）。这在GC期间有帮助，因为noscan类查找活动对象时无需遍历span。

mspan有3种状态:
- free
- in-use
- manual
这3种状态之间的转换关系如下:
- free → in-use / manual : 在GC的任意阶段都有可能发生
- 在 sweeping (gcphase == _GCoff) 期间，mspan可能从 in-use 转换为 free (由于sweeping) 或从 manual 转换为 free (由于栈被释放)
- 在 GC (gcphase != _GCoff) 期间，mspan 无法从 manual 或 in-use 转化能为 free. 因为并发GC可能会读取指针，然后查找其mspan，mspan的状态必须唯一。
mcentral：mcentral将相同大小级别的span归类在一起。
- 访问时需要互斥锁
- 每个mcentral包含两个mspanList：
  - empty：双向span链表，包括没有空闲对象的span或缓存mcache中的span。当此处的span被释放时，它将被移至non-empty span链表。
  - non-empty：有空闲对象的span双向链表。当从mcentral请求新的span，mcentral将从该链表中获取span并将其移入empty span链表。’
mcache: mcache表示线程缓存，与P绑定，主要用来缓存用户申请的微小对象。
- 由于与P绑定，每个线程都有一个mcache，因此不需要锁

Go如何分配内存

何时会进行分配内存？

在Go中，包括但不限于以下情况时，会进行内存分配：

调用 new 和 make
创建 maps、slices、匿名函数字面量
声明变量
将非接口值赋值给接口值
连接非常量字符串
将字符串转换为字节或字符切片，或反过来
将整数转换为字符串
调用 append 函数（扩容时）
向map中添加新的kv（扩容时）

如何分配？

Go运行时会将对象按大小分为: 成微对象、小对象和大对象，根据大小选择不同的分配逻辑。

微对象 (0, 16B) — 先使用微型分配器（不用加锁），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；

Note: 对象会沿着缓存的层次结构向上分配

Note: 如果堆空间不够用了，则需向操作系统另外申请内存。

Go内存管理——内存分配