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详解Go中内存分配

2009 年 1 月 22 日

转载请声明出处哦~，本篇文章发布于luozhiyun的博客： https://www.luozhiyun.com

本文使用的go的源码15.7

介绍

Go 语言的内存分配器就借鉴了 TCMalloc 的设计实现高速的内存分配，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。TCMalloc 相关的信息可以看这里： http://goog-perftools.sourceforge.net/doc/tcmalloc.html。

即如果要分配的对象是个小对象（<= 32k），在每个线程中都会有一个无锁的小对象缓存，可以直接高效的无锁的方式进行分配；

如下：对象被分到不同的内存大小组中的链表中。

如果是个大对象（>32k），那么页堆进行分配。如下：

虽然go内存分配器最初是基于tcmalloc的，但是现在已经有了很大的不同。所以上面的一些结构会有些许变化，下面再慢慢絮叨。

因为内存分配的源码比较复杂，为了方便大家调试，所以在进行源码分析之前，先看看是如何断点汇编来进行调试的。

断点调试汇编

目前Go语言支持GDB、LLDB和Delve几种调试器。只有Delve是专门为Go语言设计开发的调试工具。而且Delve本身也是采用Go语言开发，对Windows平台也提供了一样的支持。本节我们基于Delve简单解释如何调试Go汇编程序。项目地址： https://github.com/go-delve/delve

安装：

go get github.com/go-delve/delve/cmd/dlv

首先编写一个test.go的一个例子：

package main

import "fmt"

type A struct {
    test string
}
func main() {
    a := new(A)
    fmt.Println(a)
}

然后命令行进入包所在目录，然后输入 dlv debug 命令进入调试： 

PS C:\document\code\test_go\src> dlv debug
Type 'help' for list of commands.

然后可以使用break命令在main包的main方法上设置一个断点：

(dlv) break main.main
Breakpoint 1 set at 0x4bd30a for main.main() c:/document/code/test_go/src/test.go:8

通过breakpoints查看已经设置的所有断点：

(dlv) breakpoints
Breakpoint runtime-fatal-throw at 0x4377e0 for runtime.fatalthrow() c:/software/go/src/runtime/panic.go:1162 (0)
Breakpoint unrecovered-panic at 0x437860 for runtime.fatalpanic() c:/software/go/src/runtime/panic.go:1189 (0)
        print runtime.curg._panic.arg
Breakpoint 1 at 0x4bd30a for main.main() c:/document/code/test_go/src/test.go:8 (0)

通过continue命令让程序运行到下一个断点处：

(dlv) continue
> main.main() c:/document/code/test_go/src/test.go:8 (hits goroutine(1):1 total:1) (PC: 0x4bd30a)
     3: import "fmt"
     4:
     5: type A struct {
     6:         test string
     7: }
=>   8: func main() {
     9:         a := new(A)
    10:         fmt.Println(a)
    11: }
    12:
    13:

通过disassemble反汇编命令查看main函数对应的汇编代码：

(dlv) disassemble
TEXT main.main(SB) C:/document/code/test_go/src/test.go
        test.go:8       0x4bd2f0        65488b0c2528000000      mov rcx, qword ptr gs:[0x28]
        test.go:8       0x4bd2f9        488b8900000000          mov rcx, qword ptr [rcx]
        test.go:8       0x4bd300        483b6110                cmp rsp, qword ptr [rcx+0x10]
        test.go:8       0x4bd304        0f8697000000            jbe 0x4bd3a1
=>      test.go:8       0x4bd30a*       4883ec78                sub rsp, 0x78
        test.go:8       0x4bd30e        48896c2470              mov qword ptr [rsp+0x70], rbp
        test.go:8       0x4bd313        488d6c2470              lea rbp, ptr [rsp+0x70]
        test.go:9       0x4bd318        488d0581860100          lea rax, ptr [__image_base__+874912]
        test.go:9       0x4bd31f        48890424                mov qword ptr [rsp], rax
        test.go:9       0x4bd323        e8e800f5ff              call $runtime.newobject
        test.go:9       0x4bd328        488b442408              mov rax, qword ptr [rsp+0x8]
        test.go:9       0x4bd32d        4889442430              mov qword ptr [rsp+0x30], rax
        test.go:10      0x4bd332        4889442440              mov qword ptr [rsp+0x40], rax
        test.go:10      0x4bd337        0f57c0                  xorps xmm0, xmm0
        test.go:10      0x4bd33a        0f11442448              movups xmmword ptr [rsp+0x48], xmm0
        test.go:10      0x4bd33f        488d442448              lea rax, ptr [rsp+0x48]
        test.go:10      0x4bd344        4889442438              mov qword ptr [rsp+0x38], rax
        test.go:10      0x4bd349        8400                    test byte ptr [rax], al
        test.go:10      0x4bd34b        488b4c2440              mov rcx, qword ptr [rsp+0x40]
        test.go:10      0x4bd350        488d15099f0000          lea rdx, ptr [__image_base__+815712]
        test.go:10      0x4bd357        4889542448              mov qword ptr [rsp+0x48], rdx
        test.go:10      0x4bd35c        48894c2450              mov qword ptr [rsp+0x50], rcx
        test.go:10      0x4bd361        8400                    test byte ptr [rax], al
        test.go:10      0x4bd363        eb00                    jmp 0x4bd365
        test.go:10      0x4bd365        4889442458              mov qword ptr [rsp+0x58], rax
        test.go:10      0x4bd36a        48c744246001000000      mov qword ptr [rsp+0x60], 0x1
        test.go:10      0x4bd373        48c744246801000000      mov qword ptr [rsp+0x68], 0x1
        test.go:10      0x4bd37c        48890424                mov qword ptr [rsp], rax
        test.go:10      0x4bd380        48c744240801000000      mov qword ptr [rsp+0x8], 0x1
        test.go:10      0x4bd389        48c744241001000000      mov qword ptr [rsp+0x10], 0x1
        test.go:10      0x4bd392        e869a0ffff              call $fmt.Println
        test.go:11      0x4bd397        488b6c2470              mov rbp, qword ptr [rsp+0x70]
        test.go:11      0x4bd39c        4883c478                add rsp, 0x78
        test.go:11      0x4bd3a0        c3                      ret
        test.go:8       0x4bd3a1        e82a50faff              call $runtime.morestack_noctxt
        .:0             0x4bd3a6        e945ffffff              jmp $main.main

现在我们可以使用break断点到runtime.newobject函数的调用上：

(dlv) break runtime.newobject
Breakpoint 2 set at 0x40d426 for runtime.newobject() c:/software/go/src/runtime/malloc.go:1164

输入continue跳到断点的位置：

(dlv) continue
> runtime.newobject() c:/software/go/src/runtime/malloc.go:1164 (hits goroutine(1):1 total:1) (PC: 0x40d426)
Warning: debugging optimized function
  1159: }
  1160:
  1161: // implementation of new builtin
  1162: // compiler (both frontend and SSA backend) knows the signature
  1163: // of this function
=>1164: func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
  1165:         return mallocgc(typ.size, typ, true)
  1166: }
  1167:
  1168: //go:linkname reflect_unsafe_New reflect.unsafe_New
  1169: func reflect_unsafe_New(typ *_type) unsafe.Pointer {

print命令来查看typ的数据：

(dlv) print typ
*runtime._type {size: 16, ptrdata: 8, hash: 875453117, tflag: tflagUncommon|tflagExtraStar|tflagNamed (7), align: 8, fieldAlign: 8, kind: 25, equal: runtime.strequal, gcdata: *1, str: 5418, ptrToThis: 37472}

可以看到这里打印的size是16bytes，因为我们A结构体里面就一个string类型的field。

进入到mallocgc方法后，通过args和locals命令查看函数的参数和局部变量：

(dlv) args
size = (unreadable could not find loclist entry at 0x8b40 for address 0x40ca73)
typ = (*runtime._type)(0x4d59a0)
needzero = true
~r3 = (unreadable empty OP stack)
(dlv) locals
(no locals)

各个对象入口

我们根据汇编可以判断，所有的函数入口都是 runtime.mallocgc ，但是下面两个对象需要注意一下：

int64对象

runtime.convT64 

func convT64(val uint64) (x unsafe.Pointer) {
    if val < uint64(len(staticuint64s)) {
        x = unsafe.Pointer(&staticuint64s[val])
    } else {
        x = mallocgc(8, uint64Type, false)
        *(*uint64)(x) = val
    }
    return
}

这段代码表示如果一个int64类型的值小于256，直接十三姨的是缓存值，那么这个值不会进行内存分配。

string对象

runtime.convTstring 

func convTstring(val string) (x unsafe.Pointer) {
    if val == "" {
        x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
    } else {
        x = mallocgc(unsafe.Sizeof(val), stringType, true)
        *(*string)(x) = val
    }
    return
}

由这段代码显示，如果是创建一个为”“的string对象，那么会直接返回一个固定的地址值，不会进行内存分配。

分析

分配器的组件

内存分配是由内存分配器完成，分配器由3种组件构成： runtime.mspan 、 runtime.mcache 、 runtime.mcentral 、 runtime.mheap 。

runtime.mspan

type mspan struct {
    // 上一个节点
    next *mspan     
    // 下一个节点
    prev *mspan      
    // span集合
    list *mSpanList  
    // span开始的地址值
    startAddr uintptr  
    // span管理的页数
    npages    uintptr  
 
    // Object n starts at address n*elemsize + (start << pageShift).
    // 空闲节点的索引
    freeindex uintptr 
    // span中存放的对象数量
    nelems uintptr  
 
    // 用于快速查找内存中未被使用的内存
    allocCache uint64 
  // 用于计算mspan管理了多少内存
  elemsize    uintptr
  // span的结束地址值
  limit       uintptr
  
    ...
}

runtime.mspan 是内存管理器里面的最小粒度单元，所有的对象都是被管理在mspan下面。

mspan是一个链表，有上下指针；

npages代表mspan管理的堆页的数量；

freeindex是空闲对象的索引；

nelems代表这个mspan中可以存放多少对象，等于 (npages * pageSize)/elemsize ；

allocCache用于快速的查找未被使用的内存地址；

elemsize表示一个对象会占用多个个bytes，等于 class_to_size[sizeclass] ，需要注意的是sizeclass每次获取的时候会sizeclass方法，将 sizeclass>>1 ；

limit表示span结束的地址值，等于 startAddr+ npages*pageSize ；

实例图如下：

图中alloc是一个拥有137个元素的mspan数组，mspan数组管理数个page大小的内存，每个page是8k，page的数量由spanclass规格决定。

runtime.mcache

type mcache struct { 
    ...
    // 申请小对象的起始地址
    tiny             uintptr
    // 从起始地址tiny开始的偏移量
    tinyoffset       uintptr
    // tiny对象分配的数量
    local_tinyallocs uintptr // number of tiny allocs not counted in other stats
    // mspan对象集合，numSpanClasses=134
    alloc [numSpanClasses]*mspan // spans to allocate from, indexed by spanClass
    ...
}

runtime.mcache 是绑在并发模型GPM的P上，在分配微对象和小对象的时候会先去 runtime.mcache 中获取，每一个处理器都会被分配一个线程缓存 runtime.mcache ，因此从 runtime.mcache 进行分配时无需加锁。

在 runtime.mcache 中有一个alloc数组，是 runtime.mspan 的集合， runtime.mspan 是 Go 语言内存管理的基本单元。对于[16B,32KB]的对象会使用这部分span进行内存分配，所以所有在这区间大小的对象都会从alloc这个数组里寻找，下面会分析到。

runtime.mcentral

type mcentral struct {
    lock      mutex
    //spanClass Id
    spanclass spanClass
    // 空闲的span列表
    nonempty  mSpanList // list of spans with a free object, ie a nonempty free list
    // 已经被使用的span列表
    empty     mSpanList // list of spans with no free objects (or cached in an mcache)

    //分配mspan的累积计数
    nmalloc uint64
}

type mSpanList struct {
    //链表头
    first *mspan // first span in list, or nil if none
    //链表尾部
    last  *mspan // last span in list, or nil if none
}

当 runtime.mcache 中空间不足的时候，会去 runtime.mcentral 中申请对应规格的mspan。由于由于 runtime.mcentral 是公共资源，会有多个 runtime.mcache 向它申请 runtime.mspan ，因此必须加锁。

在 runtime.mcentral 中，有spanclass标识，spanclass表示这个mcentral的类型，下面我们会看到，在分配[16B,32KB]大小对象的时候，会将对象的大小分成67组： 

var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 208, 224, 240, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 576, 640, 704, 768, 896, 1024, 1152, 1280, 1408, 1536, 1792, 2048, 2304, 2688, 3072, 3200, 3456, 4096, 4864, 5376, 6144, 6528, 6784, 6912, 8192, 9472, 9728, 10240, 10880, 12288, 13568, 14336, 16384, 18432, 19072, 20480, 21760, 24576, 27264, 28672, 32768}

所以 runtime.mcentral 只负责一种spanclass规格类型，该规格的所有未被使用的空闲mspan会挂载到nonempty 链表上，已经被mcache拿走，未归还的会挂载到empty 链表上，归还后会再挂载到nonempty上。mspan会以链表的形式链接在 runtime.mcentral 上面。

runtime.mheap

type mheap struct { 
    lock      mutex
    pages     pageAlloc // page allocation data structure 
    
    //arenas数组集合,一个二维数组
    arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena

    //各个规格的mcentral集合
    central [numSpanClasses]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize]byte
    }
    ...
}

对于 runtime.mheap 需要关注central和arenas。central是各个规格的mcentral集合，在初始化的时候会通过遍历class_to_size来进行创建；arenas是一个二维数组，用来管理内存空间。arenas由多个 runtime.heapArena 组成，每个单元都会管理 64MB 的内存空间： 

const (
    pageSize             = 8192                       // 8KB
    heapArenaBytes       = 67108864                   // 64MB 
    pagesPerArena        = heapArenaBytes / pageSize  // 8192
)

type heapArena struct {
    bitmap [heapArenaBitmapBytes]byte
    spans [pagesPerArena]*mspan
    pageInUse [pagesPerArena / 8]uint8
    pageMarks [pagesPerArena / 8]uint8
    zeroedBase uintptr
}

需要注意的是，上面的heapArenaBytes代表的64M只是在除windows以外的64 位机器才会显示，在windows机器上显示的是4MB。具体的可以看下面的官方注释：

//       Platform  Addr bits  Arena size  L1 entries   L2 entries
    // --------------  ---------  ----------  ----------  -----------
    //       */64-bit         48        64MB           1    4M (32MB)
    // windows/64-bit         48         4MB          64    1M  (8MB)
    //       */32-bit         32         4MB           1  1024  (4KB)
    //     */mips(le)         31         4MB           1   512  (2KB)

L1 entries、L2 entries分别代表的是 runtime.mheap 中arenas一维、二维的值。

给对象分配内存

我们通过对源码的反编译可以知道，堆上所有的对象都会通过调用 runtime.newobject 函数分配内存，该函数会调用 runtime.mallocgc : 

//创建一个新的对象
func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
    //size表示该对象的大小
    return mallocgc(typ.size, typ, true)
}

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer { 
    ...  
    dataSize := size
    // 获取mcache，用于处理微对象和小对象的分配
    c := gomcache()
    var x unsafe.Pointer
    // 表示对象是否包含指针，true表示对象里没有指针
    noscan := typ == nil || typ.ptrdata == 0
    // maxSmallSize=32768 32k
    if size <= maxSmallSize {
        // maxTinySize= 16 bytes 
        if noscan && size < maxTinySize {
            ...
        } else {
            ...
        }
        // 大于 32 Kb 的内存分配,通过 mheap 分配
    } else {
        ...
    } 
    ... 
    return x
}

通过mallocgc的代码可以知道，mallocgc在分配内存的时候，会按照对象的大小分为3档来进行分配：

  1. 小于16bytes的小对象；
  2. 在16bytes与32k之间的微对象；
  3. 大于 32 Kb的大对象；

大对象分配

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer { 
    ...  
    var s *mspan
    shouldhelpgc = true
    systemstack(func() {
        s = largeAlloc(size, needzero, noscan)
    })
    s.freeindex = 1
    s.allocCount = 1
    x = unsafe.Pointer(s.base())
    size = s.elemsize
    ... 
    return x
}

从上面我们可以看到分配大于32KB的空间时，直接使用largeAlloc来分配一个mspan。

func largeAlloc(size uintptr, needzero bool, noscan bool) *mspan {
    // _PageSize=8k,也就是表明对象太大，溢出
    if size+_PageSize > _PageShift
    // 如果不是整数，多出来一些，需要加1
    if size&_PageMask != 0 {
        npages++
    } 
    ...
    // 从堆上分配
    s := mheap_.alloc(npages, makeSpanClass(0, noscan), needzero)
    if s == nil {
        throw("out of memory")
    }
    ...
    return s
}

在分配内存的时候是按页来进行分配的，每个页的大小是_PageSize（8K），然后需要根据传入的size来判断需要分多少页，最后调用alloc从堆上分配。

func (h *mheap) alloc(npages uintptr, spanclass spanClass, needzero bool) *mspan {
    var s *mspan
    systemstack(func() { 
        if h.sweepdone == 0 {
            // 回收一部分内存
            h.reclaim(npages)
        }
        // 进行内存分配
        s = h.allocSpan(npages, false, spanclass, &memstats.heap_inuse)
    }) 
    ...
    return s
}

继续看allocSpan的实现：

const pageCachePages = 8 * unsafe.Sizeof(pageCache{}.cache)

func (h *mheap) allocSpan(npages uintptr, manual bool, spanclass spanClass, sysStat *uint64) (s *mspan) {
    // Function-global state.
    gp := getg()
    base, scav := uintptr(0), uintptr(0)
 
    pp := gp.m.p.ptr()
    // 申请的内存比较小,尝试从pcache申请内存
    if pp != nil && npages < pageCachePages/4 {
        c := &pp.pcache
 
        if c.empty() {
            lock(&h.lock)
            *c = h.pages.allocToCache()
            unlock(&h.lock)
        } 

        base, scav = c.alloc(npages)
        if base != 0 {
            s = h.tryAllocMSpan()

            if s != nil && gcBlackenEnabled == 0 && (manual || spanclass.sizeclass() != 0) {
                goto HaveSpan
            } 
        }
    } 
    lock(&h.lock)
    // 内存比较大或者线程的页缓存中内存不足，从mheap的pages上获取内存
    if base == 0 { 
        base, scav = h.pages.alloc(npages)
        // 内存也不够，那么进行扩容
        if base == 0 {
            if !h.grow(npages) {
                unlock(&h.lock)
                return nil
            }
            // 重新申请内存
            base, scav = h.pages.alloc(npages)
            // 内存不足，抛出异常
            if base == 0 {
                throw("grew heap, but no adequate free space found")
            }
        }
    }
    if s == nil { 
        // 分配一个mspan对象
        s = h.allocMSpanLocked()
    }
 
    unlock(&h.lock)

HaveSpan: 
    // 设置参数初始化
    s.init(base, npages) 
    ...
    // 建立mheap与mspan之间的联系
    h.setSpans(s.base(), npages, s)
    ...
    return s
}

这里会根据需要分配的内存大小再判断一次：

pageCachePages/4=64/4=16
runtime.pageAlloc.alloc

下面来看看grow的向操作系统申请内存：

func (h *mheap) grow(npage uintptr) bool {
    // We must grow the heap in whole palloc chunks.
    ask := alignUp(npage, pallocChunkPages) * pageSize

    totalGrowth := uintptr(0)
    nBase := alignUp(h.curArena.base+ask, physPageSize)
    // 内存不够则调用sysAlloc申请内存
    if nBase > h.curArena.end { 
        av, asize := h.sysAlloc(ask)
        if av == nil {
            print("runtime: out of memory: cannot allocate ", ask, "-byte block (", memstats.heap_sys, " in use)\n")
            return false
        }
        // 重新设置curArena的值
        if uintptr(av) == h.curArena.end { 
            h.curArena.end = uintptr(av) + asize
        } else { 
            if size := h.curArena.end - h.curArena.base; size != 0 {
                h.pages.grow(h.curArena.base, size)
                totalGrowth += size
            } 
            h.curArena.base = uintptr(av)
            h.curArena.end = uintptr(av) + asize
        } 
        nBase = alignUp(h.curArena.base+ask, physPageSize)
    } 
    ...
    return true
}

grow会通过curArena的end值来判断是不是需要从系统申请内存；如果end小于nBase那么会调用 runtime.mheap.sysAlloc 方法从操作系统中申请更多的内存； 

func (h *mheap) sysAlloc(n uintptr) (v unsafe.Pointer, size uintptr) {
    n = alignUp(n, heapArenaBytes)
 
    // 在预先保留的内存中申请一块可以使用的空间
    v = h.arena.alloc(n, heapArenaBytes, &memstats.heap_sys)
    if v != nil {
        size = n
        goto mapped
    } 
    // 根据页堆的arenaHints在目标地址上尝试扩容
    for h.arenaHints != nil {
        hint := h.arenaHints
        p := hint.addr
        if hint.down {
            p -= n
        }
        if p+n 
= 1<<arenaBits {
            // Outside addressable heap. Can't use.
            v = nil
        } else {
            // 从操作系统中申请内存
            v = sysReserve(unsafe.Pointer(p), n)
        }
        if p == uintptr(v) {
            // Success. Update the hint.
            if !hint.down {
                p += n
            }
            hint.addr = p
            size = n
            break
        } 
        if v != nil {
            sysFree(v, n, nil)
        }
        h.arenaHints = hint.next
        h.arenaHintAlloc.free(unsafe.Pointer(hint))
    }  
    ...
    // 将内存由Reserved转为Prepared
    sysMap(v, size, &memstats.heap_sys)

mapped:
    // Create arena metadata.
    // 初始化一个heapArena来管理刚刚申请的内存
    for ri := arenaIndex(uintptr(v)); ri <= arenaIndex(uintptr(v)+size-1); ri++ {
        l2 := h.arenas[ri.l1()]
        if l2 == nil { 
            l2 = (*[1 << arenaL2Bits]*heapArena)(persistentalloc(unsafe.Sizeof(*l2), sys.PtrSize, nil))
            if l2 == nil {
                throw("out of memory allocating heap arena map")
            }
            atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&h.arenas[ri.l1()]), unsafe.Pointer(l2))
        }  
        var r *heapArena
        r = (*heapArena)(h.heapArenaAlloc.alloc(unsafe.Sizeof(*r), sys.PtrSize, &memstats.gc_sys))
        ...  
        // 将创建heapArena放入到arenas列表中
        h.allArenas = h.allArenas[:len(h.allArenas)+1]
        h.allArenas[len(h.allArenas)-1] = ri
        atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&l2[ri.l2()]), unsafe.Pointer(r))
    }
    return
}

sysAlloc方法会调用 runtime.linearAlloc.alloc 预先保留的内存中申请一块可以使用的空间；如果没有会调用sysReserve方法会从操作系统中申请内存；最后初始化一个heapArena来管理刚刚申请的内存，然后将创建heapArena放入到arenas列表中。

至此，大对象的分配流程至此结束。

小对象分配

对于介于16bytes~32K的对象分配如下：

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
    ...
    dataSize := size
    // 获取mcache，用于处理微对象和小对象的分配
    c := gomcache()
    var x unsafe.Pointer
    // 表示对象是否包含指针，true表示对象里没有指针
    noscan := typ == nil || typ.ptrdata == 0
    // maxSmallSize=32768 32k
    if size <= maxSmallSize {
        // maxTinySize= 16 bytes 
        if noscan && size < maxTinySize { 
            ...
        } else {
            var sizeclass uint8
            //计算 sizeclass
            // smallSizeMax=1024
            if size <= smallSizeMax-8 {
                // smallSizeDiv=8
                sizeclass = size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]
            } else {
                // largeSizeDiv=128,smallSizeMax = 1024
                sizeclass = size_to_class128[(size-smallSizeMax+largeSizeDiv-1)/largeSizeDiv]
            }
            size = uintptr(class_to_size[sizeclass])
            spc := makeSpanClass(sizeclass, noscan)
            span := c.alloc[spc]
            //从对应的 span 里面分配一个 object 
            v := nextFreeFast(span)
            if v == 0 {
                // mcache不够用了，则从 mcentral 申请内存到 mcache
                v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(spc)
            }
            x = unsafe.Pointer(v)
            if needzero && span.needzero != 0 {
                memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(v), size)
            }
        } 
        ...
    }  
    ...
    return x
}

首先会先计算sizeclass 大小，计算 sizeclass 是通过预先定义两个数组：size_to_class8 和 size_to_class128。小于 1024 – 8 = 1016 （smallSizeMax=1024），使用 size_to_class8，否则使用数组 size_to_class128。

举个例子，比如要分配 20 byte 的内存，那么sizeclass = size_to_calss8[(20+7)/8] = size_to_class8[3] = 3。然后通过class_to_size[3]获取到对应的值32，表示应该要分配32bytes的内存值。

接着会从alloc数组中获取一个span的指针，通过调用nextFreeFast尝试从mcache中获取内存，如果mcache不够用了，则尝试调用nextFree从 mcentral 申请内存到 mcache。

下面看看nextFreeFast：

func nextFreeFast(s *mspan) gclinkptr {
    // 获取allocCache二进制中0的个数
    theBit := sys.Ctz64(s.allocCache) // Is there a free object in the allocCache?
    if theBit < 64 {
        result := s.freeindex + uintptr(theBit)
        if result >= uint(theBit + 1)
            s.freeindex = freeidx
            s.allocCount++
            return gclinkptr(result*s.elemsize + s.base())
        }
    }
    return 0
}

allocCache在初始化的时候会初始化成 ^uint64(0) ，换算成二进制，如果为0则表示被占用，通过allocCache可以快速的定位待分配的空间： 

func (c *mcache) nextFree(spc spanClass) (v gclinkptr, s *mspan, shouldhelpgc bool) {
    s = c.alloc[spc]
    shouldhelpgc = false
    // 当前span中找到合适的index索引
    freeIndex := s.nextFreeIndex()
    // 当前span已经满了
    if freeIndex == s.nelems { 
        if uintptr(s.allocCount) != s.nelems {
            println("runtime: s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
            throw("s.allocCount != s.nelems && freeIndex == s.nelems")
        }
        // 从 mcentral 中获取可用的span，并替换掉当前 mcache里面的span
        c.refill(spc)
        shouldhelpgc = true
        s = c.alloc[spc]
        // 再次到新的span里面查找合适的index
        freeIndex = s.nextFreeIndex()
    }

    if freeIndex >= s.nelems {
        throw("freeIndex is not valid")
    }
    // 计算出来内存地址，并更新span的属性
    v = gclinkptr(freeIndex*s.elemsize + s.base())
    s.allocCount++
    if uintptr(s.allocCount) > s.nelems {
        println("s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
        throw("s.allocCount > s.nelems")
    }
    return
}

nextFree中会判断当前span是不是已经满了，如果满了就调用refill方法从 mcentral 中获取可用的span，并替换掉当前 mcache里面的span。

func (c *mcache) refill(spc spanClass) { 
    s := c.alloc[spc]
    ...
    s = mheap_.central[spc].mcentral.cacheSpan()
    if s == nil {
        throw("out of memory")
    } 
    ...
    c.alloc[spc] = s
}

Refill 根据指定的sizeclass获取对应的span，并作为 mcache的新的sizeclass对应的span。

func (c *mcentral) cacheSpan() *mspan {
    ...
    sg := mheap_.sweepgen
    spanBudget := 100

    var s *mspan
 
    // 从清理过的、包含空闲空间的spanSet结构中查找可以使用的内存管理单元
    if s = c.partialSwept(sg).pop(); s != nil {
        goto havespan
    } 
    for ; spanBudget >= 0; spanBudget-- {
        // 从未被清理过的、有空闲对象的spanSet查找可用的span
        s = c.partialUnswept(sg).pop()
        if s == nil {
            break
        }
        if atomic.Load(&s.sweepgen) == sg-2 && atomic.Cas(&s.sweepgen, sg-2, sg-1) {
            // 找到要回收的span，触发sweep进行清理
            s.sweep(true)
            goto havespan
        }
    }
    for ; spanBudget >= 0; spanBudget-- {
        // 获取未被清理的、不包含空闲空间的spanSet查找可用的span
        s = c.fullUnswept(sg).pop()
        if s == nil {
            break
        }
        if atomic.Load(&s.sweepgen) == sg-2 && atomic.Cas(&s.sweepgen, sg-2, sg-1) {
            s.sweep(true)
            freeIndex := s.nextFreeIndex()
            if freeIndex != s.nelems {
                s.freeindex = freeIndex
                goto havespan
            }
            c.fullSwept(sg).push(s)
        }
    }
    // 从堆中申请新的内存管理单元
    s = c.grow()
    if s == nil {
        return nil
    } 
havespan:
    n := int(s.nelems) - int(s.allocCount)
    if n == 0 || s.freeindex == s.nelems || uintptr(s.allocCount) == s.nelems {
        throw("span has no free objects")
    } 
    //更新 nmalloc
    atomic.Xadd64(&c.nmalloc, int64(n))
    usedBytes := uintptr(s.allocCount) * s.elemsize
    atomic.Xadd64(&memstats.heap_live, int64(spanBytes)-int64(usedBytes))
    if trace.enabled {
        // heap_live changed.
        traceHeapAlloc()
    }
    if gcBlackenEnabled != 0 {
        // heap_live changed.
        gcController.revise()
    }
    freeByteBase := s.freeindex &^ (64 - 1)
    whichByte := freeByteBase / 8 
    // 更新allocCache
    s.refillAllocCache(whichByte) 
    // s.allocCache.
    s.allocCache >>= s.freeindex % 64 
    return s
}

cacheSpan主要是从mcentral的spanset中去寻找可用的span，如果没找到那么调用grow方法从堆中申请新的内存管理单元。

获取到后更新nmalloc、allocCache等字段。

runtime.mcentral.grow 触发扩容操作从堆中申请新的内存: 

func (c *mcentral) grow() *mspan {
    // 获取待分配的页数
    npages := uintptr(class_to_allocnpages[c.spanclass.sizeclass()])
    size := uintptr(class_to_size[c.spanclass.sizeclass()])
    // 获取新的span
    s := mheap_.alloc(npages, c.spanclass, true)
    if s == nil {
        return nil
    }

    // Use division by multiplication and shifts to quickly compute:
    // n := (npages << _PageShift) / size
    n := (npages <> s.divShift * uintptr(s.divMul) >> s.divShift2
    // 初始化limit 
    s.limit = s.base() + size*n
    heapBitsForAddr(s.base()).initSpan(s)
    return s
}

grow里面会调用 runtime.mheap.alloc 方法获取span，这个方法在上面已经讲过了，不记得的同学可以翻一下文章上面。

到这里小对象的分配就讲解完毕了。

微对象分配

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
    ...
    dataSize := size
    // 获取mcache，用于处理微对象和小对象的分配
    c := gomcache()
    var x unsafe.Pointer
    // 表示对象是否包含指针，true表示对象里没有指针
    noscan := typ == nil || typ.ptrdata == 0
    // maxSmallSize=32768 32k
    if size <= maxSmallSize {
        // maxTinySize= 16 bytes 
        if noscan && size < maxTinySize { 
            off := c.tinyoffset 
            // 指针内存对齐
            if size&7 == 0 {
                off = alignUp(off, 8)
            } else if size&3 == 0 {
                off = alignUp(off, 4)
            } else if size&1 == 0 {
                off = alignUp(off, 2)
            }
            // 判断指针大小相加是否超过16
            if off+size <= maxTinySize && c.tiny != 0 {
                // 获取tiny空闲内存的起始位置
                x = unsafe.Pointer(c.tiny + off)
                // 重设偏移量
                c.tinyoffset = off + size
                // 统计数量
                c.local_tinyallocs++
                mp.mallocing = 0
                releasem(mp)
                return x
            }  
            // 重新分配一个内存块
            span := c.alloc[tinySpanClass]
            v := nextFreeFast(span)
            if v == 0 {
                v, _, shouldhelpgc = c.nextFree(tinySpanClass)
            }
            x = unsafe.Pointer(v)
            //将申请的内存块全置为 0
            (*[2]uint64)(x)[0] = 0
            (*[2]uint64)(x)[1] = 0 
            // 如果申请的内存块用不完，则将剩下的给 tiny，用 tinyoffset 记录分配了多少。
            if size < c.tinyoffset || c.tiny == 0 {
                c.tiny = uintptr(x)
                c.tinyoffset = size
            }
            size = maxTinySize
        }  
        ...
    }  
    ...
    return x
}

在分配对象内存的时候做了一个判断， 如果该对象的大小小于16bytes，并且是不包含指针的，那么就可以看作是微对象。

在分配微对象的时候，会先判断一下tiny指向的内存块够不够用，如果tiny剩余的空间超过了size大小，那么就直接在tiny上分配内存返回；

这里我再次使用我上面的图来加以解释。首先会去mcache数组里面找到对应的span，tinySpanClass对应的span的属性如下：

startAddr: 824635752448,
npages: 1,
manualFreeList: 0,
freeindex: 128,
nelems: 512,
elemsize: 16,
limit: 824635760640,
allocCount: 128,
spanclass: tinySpanClass (5),
...

tinySpanClass对应的mspan里面只有一个page，里面的元素可以装512（nelems）个；page里面每个对象的大小是16bytes（elemsize），目前已分配了128个对象（allocCount），当然我上面的page画不了这么多，象征性的画了一下。

上面的图中还画了在page里面其中的一个object已经被使用了12bytes，还剩下4bytes没有被使用，所以会更新tinyoffset与tiny的值。

总结

本文先是介绍了如何对go的汇编进行调试，然后分了三个层次来讲解go中的内存分配是如何进行的。对于小于32k的对象来说，go通过无锁的方式可以直接从mcache获取到了对应的内存，如果mcache内存不够的话，先是会到mcentral中获取内存，最后才到mheap中申请内存。对于大对象（>32k）来说可以直接mheap中申请，但是对于大对象来说也是有一定优化，当大对象需要分配的页小于16页的时候会直接从pageCache中分配，否则才会从堆页中获取。

Reference

https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch3-asm/ch3-09-debug.html

https://deepu.tech/memory-management-in-golang/

https://medium.com/@ankur_anand/a-visual-guide-to-golang-memory-allocator-from-ground-up-e132258453ed

http://goog-perftools.sourceforge.net/doc/tcmalloc.html

https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch07-memory/golang-memory-allocator

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