浅析Go内存管理架构
导读
本文基于Go源码版本1.16、64位Linux平台、1Page=8KB、本文的内存特指虚拟内存 |
今天我们开始进入《Go语言轻松系列》第二章「内存与垃圾回收」第二部分「Go语言内存管理」。
关于「内存与垃圾回收」章节，会从如下三大部分展开：
- 读前知识储备(已完结)
- Go语言内存管理(当前部分)
- Go语言垃圾回收原理(未开始)
第一部分「读前知识储备」已经完结，为了更好理解本文大家可以点击历史链接进行查看或复习。
目录
关于讲解「Go语言内存管理」部分我的思路如下：
- 介绍整体架构
- 介绍架构设计中一个很有意思的地方
- 通过介绍Go内存管理中的关键结构
mspan，带出page、mspan、object、sizeclass、spanclass、heaparena、chunk的概念 - 接着介绍堆内存、栈内存的分配
- 回顾和总结
通过这个思路拆解的目录：
- Go内存管理架构(本篇内容)
mcachemcentralmheap
- 为什么线程缓存
mcache是被逻辑处理器p持有，而不是系统线程m? - Go内存管理单元
mspanpage的概念mspan的概念object的概念sizeclass的概念spanclass的概念heaparena的概念chunk的概念
- Go堆内存的分配
- 微对象分配
- 小对象分配
- 大对象分配
- Go栈内存的分配
- 栈内存分配时机
- 小于32KB的栈分配
- 大于等于32KB的栈分配
Go内存管理架构
Go的内存统一由内存管理器管理的，Go的内存管理器是基于Google自身开源的TCMalloc内存分配器为理念设计和实现的，关于TCMalloc内存分配器的详细介绍可以查看之前的文章。
先来简单回顾下TCMalloc内存分配器的核心设计。
回顾TCMalloc内存分配器
TCMalloc诞生的背景？
在多核以及超线程时代的今天，多线程技术已经被广泛运用到了各个编程语言中。当使用多线程技术时，由于多线程共享内存，线程申在请内存(虚拟内存)时，由于并行问题会产生竞争不安全。
为了保证分配内存的过程足够安全，所以需要在内存分配的过程中加锁，加锁过程会带来阻塞影响性能。之后就诞生了TCMalloc内存分配器并被开源。
TCMalloc如何解决这个问题?
TCMalloc全称Thread Cache Memory alloc线程缓存内存分配器。顾名思义就是给线程添加内存缓存，减少竞争从而提高性能，当线程内存不足时才会加锁去共享的内存中获取内存。
接着我们来看看TCMalloc的架构。
TCMalloc的架构？
TCMalloc三层逻辑架构
ThreadCache：线程缓存CentralFreeList(CentralCache)：中央缓存PageHeap：堆内存
TCMalloc架构上不同的层是如何协作的？
TCMalloc把申请的内存对象按大小分为了两类：
- 小对象 <= 256 KB
- 大对象 > 256 KB
我们这里以分配小对象为例，当给小对象分配内存时：
- 先去线程缓存
ThreadCache中分配 - 当线程缓存
ThreadCache的内存不足时，从对应SizeClass的中央缓存CentralFreeList获取 - 最后，再从对应
SizeClass的PageHeap中分配
Go内存分配器的逻辑架构
采用了和TCMalloc内存分配器一样的三层逻辑架构：
mcache：线程缓存mcentral：中央缓存mheap：堆内存
实际中央缓存central是一个由136个mcentral类型元素的数组构成。
除此之外需要特别注意的地方：mcache被逻辑处理器p持有，而并不是被真正的系统线程m持有。(这个设计很有意思，后续会有一篇文章来解释这个问题)
我们更新下架构图如下：
「Go内存分配器」把申请的内存对象按大小分为了三类：
- 微对象 0 < Micro Object < 16B
- 小对象 16B =< Small Object <= 32KB
- 大对象 32KB < Large Object
为了清晰看出这三层的关系，这里以堆上分配小对象为例：
- 先去线程缓存
mcache中分配内存 - 找不到时，再去中央缓存
central中分配内存 - 最后直接去堆上
mheap分配一块内存
总结
通过以上的分析可以看出Go内存分配器的设计和开源TCMalloc内存分配器的理念、思路基本一致。对比图如下：
最后我们总结下：
- Go内存分配器采用了和
TCMalloc一样的三层架构。逻辑上为：mcache：线程缓存mcentral：中央缓存mheap：堆内存
- (下篇文章)线程缓存
mcache是被逻辑处理器p持有，而不是系统线程m
