Golang内存模型设计理念思考

golang内存分配基于TCmalloc模型，它核心在于：空间换时间，一次缓存，多次复用；
为何要有这种缓存机制？如果golang每次分配内存都向操作系统申请，需要切换到内核态发起系统调用，（权级切换时的开销是很大的）代价太高；所以一次缓存，多次复用（类似GMP的设计思想尽可能不切到内核态）

堆mheap这种数据结构就是一次缓存得到的那部分。 在操作系统视角中，mheap就是用户进程缓存的内存，在golang视角中，mheap就是内存的源头
mheap作为进程中的内存来源，全局唯一，具有全局锁，如果mheap直接分配，那么存取性能是非常可怕的，为了提高分配效率，就要实现锁的粒度更细、甚至无锁，goalng借鉴操作系统的多级缓存模型（L1，L2，L3，RAM，磁盘），设计了一种3层缓存模型：mheap、 mcentral、 mchace(GMP中的P相当于一个CPU，而mache就是P本地私有的内存，它冗余了各种等级的mspan，P本地私有不涉及并发行为，所以不需要加锁)；

核心代码阅读

mspan

mspan是最小的内存管理单元，它跟golang设定的对象等级制度紧密关联；mspan结构体的核心字段：相同等级的mspan构成一条双向链表，所以mspan有前后指针； mspan管理整数倍的连续地址的页，所以有管理的内存起始地址，以及连续的页数； mspan的等级意味着它管理的块的大小，所以有一个标志等级的变量（1~67、以及0级处理大对象，等级用unit8来表示，高7位标识等级，最低位标识noscan信息，noscan用于标记当前mspan的内存需不需要在GC的时候进一步扫描，如果对象不包含指针，说明对象没有引用其他对象，那么垃圾回收的时候就不需要进一步扫描了。这样可以提高扫描效率）； 分配内存时分配的其实是对应的槽位，所以有一个位图用来记录槽位，比如要分配31B的obj，那么就会向上到等级为32的mspan中根据它的位图找空闲的槽位（这是内部碎片的来源）。这个位图bitmap在后续的垃圾回收中也会使用到。 它的快速查找空闲槽用到了CTZ64算法

mspan详解：既然相同size class的mspan节点聚集构成一条双向链表，所以mspan节点有next，pre指针，另外一个mspan管理的内存大小从startaddr开始，往后npages个page。当要分配obj的时候，会去alloccache记录的bitmap中去找为1的obj。 alloccache记录的bitmap就是记录obj的槽位

源码中核心的点： next、pre指针； startaddr； npages；alloccache(bitmap)；spanclass(等级)；freeindex(记录bitmap在某位之前的obj都被占用过了，加速找bitmap中Obj为1的槽位)
另外spanclass 是一个uint8 整数，高7位标识1~67+隐藏0级（处理更大对象） 共68个等级，最低位标识noscan信息。noscan标志是用来标记垃圾回收的时候需不需要扫描的标志位。
如果对象不包含指针，说明对象没有引用其他对象，那么垃圾回收的时候就不需要进一步扫描了。这样可以提高扫描效率

mcache

mcache是P的本地私有内存，在单个P内部是没有并发的，所以没有锁; 核心字段: alloc, mcache冗余了一些mspan，具体来说的话是两种，一种noscan类型的无需重复扫描，一种scan类型的。 另外mcache结构体中还有微型对象分配器（<16B）tinyalloc。

mcentral中心缓存

mcentral是相同等级mspan构成的两条链表，一条有空间，一条满空间，每个mcentral有一把锁，但是锁的粒度相比mheap更细；所以核心字段的话就是两条链表，一把锁，一个等级；

mheap

进程内全局唯一，访问加全局锁（因此对mheap的存取性能是非常可怕的），对于go上层来说mheap是操作系统虚拟内存的抽象，是go进程内部的内存之源，由于向操作系统申请内存这个操作很重，所以mheap一般一次申请比较大（64M）
mheap以8KB的页为最小内存单元，负责将连续的页组装成mspan，使用位图bitmap记录所有页的使用情况，为1说明页已经被mspan组装（不是被使用，组装了不一定使用了）（组装的时候找连续空闲页时为了加速，使用到了空闲页基数树索引辅助） 用heapArena聚合页记录页跟mspan的映射关系（GC的时候根据对象地址找到页是很简单的，但是mspan的记录对象使用情况的bitmap也需要更新，所以需要heapArena记录页跟mspan的映射关系，用来更新mspan的bitmap）。

分配过程

tiny微对象（<16B ）的话，走mcache的微型分配器；
（<32KB的对象）优先从mcache中找对应等级mspan中的空槽（无锁），如果mcache兜不住就向上去mcentral；
根据等级去mcentral中的有空闲链表中找到mspan填充mcache（有锁），如果兜不住，继续向上去mheap；
mheap组装mspan填充到mcentral，然后从mspan中取内存（有锁），如果还兜不住，说明进程中没有足够的内存了，此时mheap会向操作系统申请内存（以heapArena为单位64MB）；
0级别的大对象（>32KB），直接到mheap中