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深入 Go 底层原理（五）：内存分配机制

news 2025/8/3 7:16:27

1. 引言

Go 语言的性能不仅得益于其高效的并发调度，还得益于其精心设计的内存分配器。Go 的内存分配器借鉴了 Google 自家的 TCMalloc (Thread-Caching Malloc) 思想，旨在实现高并发场景下的快速、低锁竞争的内存分配。

本文将深入 Go 的内存管理，揭示其分层式的内存分配架构。

2. Go 内存管理的宏观视图

Go 程序在启动时，会向操作系统申请一大块内存，并自行进行管理，避免了频繁的系统调用。这块内存被组织成一个多层级的结构，以优化不同大小对象的分配效率。

Go 的内存管理可以分为两个主要部分：

栈 (Stack) 分配: 用于管理 Goroutine 的函数调用栈。栈内存由 Goroutine 自行管理，分配和回收都非常快（通过移动栈指针），且不涉及 GC。
堆 (Heap) 分配: 用于管理程序动态创建的对象，是本文的重点。堆内存由 Go 的内存分配器和垃圾回收器共同管理。

3. 堆内存分配的核心组件

Go 的堆内存分配器是一个分层结构，主要由 mheap, mcentral, mcache 和 mspan 构成。

mspan (Memory Span)
- 定义：是内存管理的基本单位。一个 mspan 是由 runtime 管理的一块连续的、页对齐的内存（Go 中一页为 8KB）。
- 属性：每个 mspan 都被划分为特定大小规格 (Size Class) 的小块，用于存放相同大小的对象。例如，一个 mspan 可能专门用于存放 16 字节的对象。Go 预定义了约 70 个不同的 Size Class。
mcache (Memory Cache)
- 定义：一个与 P (Processor) 绑定的、线程私有的内存缓存。每个 P 都有一个自己的 mcache。
- 职责：为当前 P 上的 Goroutine 提供无锁的、快速的小对象内存分配。mcache 中包含一个 mspan 数组，每个 mspan 对应一种 Size Class。
- 特点：因为 mcache 是 P 私有的，所以当 Goroutine 需要分配小对象时，可以直接从对应的 mcache 中获取，无需加锁，效率极高。
mcentral (Central Memory)
- 定义：一个全局的、所有 P 共享的 mspan 缓存。
- 职责：为所有 mcache 提供 mspan 资源。mcentral 按 Size Class 对 mspan 进行分组管理，每个 Size Class 都有一个 mspan 链表。
- 特点：当一个 mcache 中的某个 Size Class 的 mspan 被用完时，它会向 mcentral 申请一个新的 mspan。这个过程需要加锁。反之，当 mcache 的 mspan 有大量空闲时，也会归还给 mcentral。
mheap (Memory Heap)
- 定义：堆内存的最高管理者，持有从操作系统申请来的所有内存。
- 职责：管理大量的 mspan。当 mcentral 缺少 mspan 时，会向 mheap 申请。mheap 会从其管理的页中划分出一块，组成一个新的 mspan 交给 mcentral。
- 特点：如果 mheap 自身内存不足，它会通过系统调用（如 mmap）向操作系统申请更多内存（通常以 Arena 为单位，64MB on 64-bit systems）。

4. 内存分配流程

根据对象的大小，分配流程有所不同：

小对象分配 (<= 32KB)
1. Goroutine 请求分配内存。
2. 计算对象所需的大小规格 (Size Class)。
3. 从当前 P 绑定的 mcache 中，找到对应 Size Class 的 mspan 链表。
4. 从 mspan 中获取一个空闲的小块内存。此过程无锁。
5. 如果 mcache 的 mspan 没有空闲块，mcache 会向 mcentral 申请一个新的、可用的 mspan。此过程需要加锁。
6. 如果 mcentral 也没有可用的 mspan，它会向 mheap 申请。
7. 如果 mheap 也没有，它会向操作系统申请新内存。
大对象分配 (> 32KB)
- 对于大对象，分配器会绕过 mcache 和 mcentral，直接由 mheap 进行分配。mheap 会寻找能容纳该对象的最佳 mspan。