Golang 内存分配

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2025-07-08 2025-07-08 约 2681 字预计阅读 12 分钟

系列 - Golang系列

Go 的内存分配器是其高性能并发能力的核心基石之一。它并非直接向操作系统申请和释放每一次内存，而是实现了一套高效、分层的内存管理机制。其设计深受 Google 自家的 TCMalloc (Thread-Caching Malloc) 影响，核心思想是通过多级缓存来减少锁的竞争，从而提高并发分配的性能。

0.1 一、内存管理的层次结构

Go 的内存管理可以看作一个金字塔形的层次结构，从上到下分别是 mcache、mcentral 和 mheap。

mspan (Memory Span - 内存块)

在深入了解三层结构之前，必须先理解最基本的内存管理单元 mspan。
- 定义：mspan 是 Go 内存管理的基本单位，它是由一个或多个连续的物理页 (Page) 组成的内存块。Go 中一页大小为 8KB。
- 用途：mspan 用于管理一组相同大小的对象（例如，一个 mspan 只负责分配 32 字节大小的对象）。这种按“规格”管理的方式称为 size class （spanClass）。
- 状态：mspan 可以在不同的空闲链表（freelist）中，也可以被某个 mcache 持有。
mcache (Memory Cache - Per-P 缓存)
- 定义：mcache 是每个 P (Processor) 私有的内存缓存。回顾 GMP 模型，每个 P 绑定一个操作系统线程 M 来执行 Goroutine。因此，mcache 也可以理解为线程本地缓存。
- 核心特点：无锁分配 (Lock-Free)。当一个 Goroutine 需要分配小对象时，它会直接从其当前运行的 P 所绑定的 mcache 中获取。因为每个 P 只有一个 M 在执行，所以这个过程完全不需要加锁，速度极快。
- 结构：mcache 内部有一个包含约 70 个 mspan 指针的数组。每个数组元素对应一个 size class。例如，mcache.alloc[3] 可能指向一个专门用来分配 32 字节对象的 mspan。
mcentral (Central Freelist - 中心空闲列表)
- 定义：mcentral 是一个全局的、供所有 P 共享的资源。每种 size class 都有一个对应的 mcentral。
- 用途：当某个 P 的 mcache 中缺少某种规格的 mspan 时，它会向对应的 mcentral 申请。
- 锁机制：因为 mcentral 是全局共享的，所以对它的访问需要加锁，以避免多个 P 同时来申请资源导致竞态。
- 结构：每个 mcentral 维护着两个 mspan 链表：nonempty (包含有空闲空间的 mspan) 和 empty (包含完全空闲或已被归还的 mspan)。
mheap (Heap Arena - 堆区)
- 定义：mheap 是内存分配器的最高层，它代表了 Go 程序持有的所有堆内存。它统一管理着所有从操作系统申请来的大块内存（称为 Arena，在 64 位系统上一个 Arena 是 64MB）。
- 用途：当 mcentral 中没有可用的 mspan 时，mcentral 会向 mheap 申请。mheap 会从其管理的 Arena 中切出一块连续的页分配给 mcentral。
- 锁机制：mheap 是全局唯一的，对它的访问需要加全局锁 (mheap_.lock)。
- 大对象分配：超过 32KB 的大对象会绕过 mcache 和 mcentral，直接由 mheap 进行分配。

0.2 二、结构图

下图展示了 mcache, mcentral, mheap 之间的层次关系和内存流动方向。

graph TD
    subgraph OS [操作系统]
        os_mem[物理内存]
    end

    subgraph Go_Runtime_Heap [Go 运行时堆区]
        mheap["mheap (全局唯一, 管理所有 Arenas)"]
        
        subgraph Centrals ["mcentral (全局共享, 按 Size Class 分类)"]
            mc0["mcentral (8B)"]
            mc1["mcentral (16B)"]
            mc_etc["..."]
            mcN["mcentral (32KB)"]
        end

        subgraph P1 ["Processor 1 (P)"]
             g1[Goroutine] --> cache1["mcache (P1私有, 无锁)"]
        end

        subgraph P2 ["Processor 2 (P)"]
             g2[Goroutine] --> cache2["mcache (P2私有, 无锁)"]
        end
        
        mheap -- "分配大对象 (>32KB)" --> g1
        mheap -- "分配大对象 (>32KB)" --> g2

        mheap -- "申请 pages" --> mc0
        mheap -- "申请 pages" --> mc1
        mheap -- "申请 pages" --> mc_etc
        mheap -- "申请 pages" --> mcN
        
        os_mem -- "申请大块内存 (Arenas)" --> mheap
        
        cache1 -- "申请 mspan (加锁)" --> mc1
        cache2 -- "申请 mspan (加锁)" --> mc0
    end
    
    style OS fill:#e6e6fa,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Go_Runtime_Heap fill:#f0f8ff,stroke:#333,stroke-width:2px
    style P1 fill:#fff0f5,stroke:#333,stroke-width:2px
    style P2 fill:#fff0f5,stroke:#333,stroke-width:2px

0.3 三、内存分配流程

0.3.1 流程总览

核心流程类似于读多级缓存的过程，由上而下，每一步只要成功则直接返回. 若失败，则由下层方法兜底.

对于微对象的分配流程：

（1）从 P 专属 mcache 的 tiny 分配器取内存（无锁）

（2）根据所属的 spanClass，从 P 专属 mcache 缓存的 mspan 中取内存（无锁）

（3）根据所属的 spanClass 从对应的 mcentral 中取 mspan 填充到 mcache，然后从 mspan 中取内存（spanClass 粒度锁）

（4）根据所属的 spanClass，从 mheap 的页分配器 pageAlloc 取得足够数量空闲页组装成 mspan 填充到 mcache，然后从 mspan 中取内存（全局锁）

（5）mheap 向操作系统申请内存，更新页分配器的索引信息，然后重复（4）.

对于小对象的分配流程是跳过（1）步，执行上述流程的（2）-（5）步；

对于大对象的分配流程是跳过（1）-（3）步，执行上述流程的（4）-（5）步.

根据要分配的对象大小，流程分为三类：

0.3.2 A. 微对象分配 (Tiny Objects, size < 16B)

为了节省空间和对齐，小于 16 字节的对象会先被分配到一个 16 字节的块中，然后在这个块里进行指针偏移来分配。这个 16 字节的块本身还是来自于 mcache 的 16B size class。

0.3.3 B. 小对象分配 (Small Objects, 16B <= size <= 32KB)

这是最常见、也是 Go 内存分配器优化的核心路径。

尝试 mcache (无锁)：
- Goroutine 需要分配内存，它当前正在 P 上运行。
- Go 运行时将请求的 size 向上取整到最接近的 size class。
- 它直接访问 P 的 mcache 中对应 size class 的 mspan 链表。
- 如果链表上的 mspan 有空闲的 object slot，分配成功，返回指针。这个过程完全无锁，速度极快。
mcache 缺货，求助 mcentral (加锁)：
- 如果 mcache 中对应 size class 的 mspan 已经用完，mcache 会向对应的全局 mcentral 申请一个新的 mspan。
- 这个过程需要对 mcentral 加锁。
- mcentral 从它的 nonempty 链表中取出一个 mspan 交给 mcache。
mcentral 缺货，求助 mheap (全局锁)：
- 如果 mcentral 的 nonempty 链表也为空，mcentral 必须向 mheap 申请内存。
- 它会调用 mheap.alloc，这个过程需要加 mheap 全局锁。
- mheap 会从其管理的 Arena 中找到一片连续的空闲页，切割成一个 mspan，然后交给 mcentral。
- 如果 mheap 也没有足够的空闲页，它会通过 mmap (在 Unix-like 系统上) 等系统调用向操作系统申请一大块新的内存 (Arena)。
内存回流:

内存最终从 mheap -> mcentral -> mcache -> Goroutine。

0.3.4 C. 大对象分配 (Large Objects, size > 32KB)

大对象不会通过 mcache 和 mcentral 进行分配，因为缓存小对象才有意义。
大对象的分配请求会直接交给 mheap。
mheap 会找到能容纳这个大对象的最小的连续页数，并直接分配。这个过程需要加 mheap 全局锁。

0.4 四、内存回收与 GC 的关系

Go 语言中，内存的释放是自动的，由垃圾回收器 (GC) 完成。
当 GC 的清理 (Sweeping) 阶段执行时，它会扫描 mspan，找出其中哪些 object 是不再使用的“垃圾”。
这些垃圾 object 所占用的 slot 会被标记为空闲，并被回收到 mspan 自己的 freelist 中。
如果一个 mspan 中的所有 object 都被回收了，这个 mspan 就变成了完全空闲状态。它会被从 mcache 归还到 mcentral。
如果 mcentral 发现一个 mspan 长时间空闲，它可能会将其归还给 mheap，mheap 可以将这些连续的空闲页合并成更大的内存块，或者在适当的时候通过 madvise 等系统调用将物理内存归还给操作系统。

0.5 总结

Go 的内存分配器是一个为高并发而生的精密系统。其核心优势在于：

分层缓存：通过 mcache, mcentral, mheap 的三层结构，将内存请求逐级处理。
无锁分配：绝大多数的小对象分配都可以在无锁的 mcache 中快速完成，这是 Go 并发性能的关键。
按规格管理 (Size Class)：避免了内存碎片，提高了内存利用率和分配效率。
与 GC 协同：分配器和垃圾回收器紧密配合，高效地重用已回收的内存。

0.6 REF.

https://golang.design/under-the-hood/zh-cn/part2runtime/ch07alloc/basic/ https://goog-perftools.sourceforge.net/doc/tcmalloc.html https://mp.weixin.qq.com/s/2TBwpQT5-zU4Gy7-i0LZmQ

目录

目录

Golang 内存分配

0.1 一、内存管理的层次结构

0.2 二、结构图

0.3 三、内存分配流程

0.3.1 流程总览

0.3.2 A. 微对象分配 (Tiny Objects, size < 16B)

0.3.3 B. 小对象分配 (Small Objects, 16B <= size <= 32KB)

0.3.4 C. 大对象分配 (Large Objects, size > 32KB)

0.4 四、内存回收与 GC 的关系

0.5 总结

0.6 REF.

目录

Golang 内存分配

0.1 一、 内存管理的层次结构

0.2 二、 结构图

0.3 三、 内存分配流程

0.3.1 流程总览

0.3.2 A. 微对象分配 (Tiny Objects, size < 16B)

0.3.3 B. 小对象分配 (Small Objects, 16B <= size <= 32KB)

0.3.4 C. 大对象分配 (Large Objects, size > 32KB)

0.4 四、 内存回收与 GC 的关系

0.5 总结

0.6 REF.

0.1 一、内存管理的层次结构

0.2 二、结构图

0.3 三、内存分配流程

0.4 四、内存回收与 GC 的关系