深入理解golang：內(nèi)存分配原理
一、Linux系統(tǒng)內(nèi)存
在說明golang內(nèi)存分配之前，先了解下Linux系統(tǒng)內(nèi)存相關(guān)的基礎(chǔ)知識，有助于理解golang內(nèi)存分配原理。
1.1 虛擬內(nèi)存技術(shù)
在早期內(nèi)存管理中，如果程序太大，超過了空閑內(nèi)存容量，就沒有辦法把全部程序裝入到內(nèi)存，這時怎么辦? 在許多年前，人們采用了一種叫做覆蓋技術(shù)，這樣一種解決方案。
這是一種什么樣的解決方案?
就是把程序分為若干個部分，稱為覆蓋塊(overlay)，核心思想就是分解(跟現(xiàn)代架構(gòu)技術(shù)中分解、分模塊思想很相近)。然后只把那些需要用到的指令和數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，而把其余的指令和數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存外。關(guān)鍵是需要程序員手動來分塊。
這種技術(shù)有什么問題呢?
這種技術(shù)必須由程序員手工把一個大的程序劃分為若干個小的功能模塊，并確定各個模塊之間的調(diào)用關(guān)系。手工做這種事情很費時費力，使得編程復(fù)雜度增加。但是，程序員總是愛“偷懶”的，于是，人們?nèi)ふ腋玫姆桨浮?/p>
這個方案就是虛擬內(nèi)存技術(shù)，它的基本思路：
- 程序運行進程的總大小可以超過實際可用的物理內(nèi)存的大小。每個進程都可以有自己獨立的虛擬地址空間。然后通過CPU和MMU把虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為實際物理地址。
這個就相當(dāng)于在物理內(nèi)存和程序之間增加了一個中間層，虛擬內(nèi)存。
虛擬存儲也可以看作是對內(nèi)存的一種抽象。而且這種抽象帶來諸多好處：
- 它將內(nèi)存看成是一個存儲在磁盤上的地址空間的高速緩存，在內(nèi)存中只保留了活動區(qū)域，可以根據(jù)需要在磁盤和內(nèi)存間來回傳送數(shù)據(jù)，高效使用內(nèi)存。
- 它為每個進程提供了一致的地址空間，簡化了存儲的管理。
對進程起到保護作用，不被其他進程地址空間破壞，因為每個進程的地址空間都是相互獨立。
- (程序：靜態(tài)的程序;進程：動態(tài)的，可以看作是程序的一個實例)
- 壞處：就是復(fù)雜度進一步增加，這也是必然的。不過相比帶來的好處，復(fù)雜度的增加還是可以接受，并克服。
Linux中對進程的處理抽象成了一個結(jié)構(gòu)體 task_struct ，我前面文章有對這個結(jié)構(gòu)體的介紹。下面就看看進程的內(nèi)存。
1.2 進程的內(nèi)存
進程內(nèi)存在linux(32位)中的布局：
來自： https://manybutfinite.com/post/anatomy-of-a-program-in-memory/
最高位的1GB是linux內(nèi)核空間，用戶代碼不能寫，否則觸發(fā)段錯誤。下面的3GB是進程使用的內(nèi)存。
- Kernel space：linux內(nèi)核空間內(nèi)存
- Stack：進程棧空間，程序運行時使用。它向下增長，系統(tǒng)自動管理
- Memory Mapping Segment：內(nèi)存映射區(qū)，通過mmap系統(tǒng)調(diào)用，將文件映射到進程的地址空間，或者匿名映射。
- Heap：堆空間。這個就是程序里動態(tài)分配的空間。linux下使用malloc調(diào)用擴展(用brk/sbrk擴展內(nèi)存空間)，free函數(shù)釋放(也就是縮減內(nèi)存空間)
- BSS段：包含未初始化的靜態(tài)變量和全局變量
- Data段：代碼里已初始化的靜態(tài)變量、全局變量
- Text段：代碼段，進程的可執(zhí)行文件
二、內(nèi)存管理中的一些常見問題
- 未能釋放已經(jīng)不再使用的內(nèi)存 - 內(nèi)存泄漏
- 指向不可用的內(nèi)存指針 - 野指針
- 指針?biāo)赶虻膶ο笠呀?jīng)被回收了，但是指向該對象的指針仍舊指向已經(jīng)回收的內(nèi)存地址 - 懸掛指針
- 分配或釋放內(nèi)存太快或者太慢
- 分配內(nèi)存大小不合理，造成內(nèi)存碎片問題
- 內(nèi)存碎片問題
三、TCMalloc
可以查看前面的文章TCMalloc內(nèi)存分配簡析，TCMalloc內(nèi)存分配器的原理和golang內(nèi)存分配器原理相近，所以理解了TCMalloc，golang內(nèi)存分配原理也就理解大半，不過golang對它也有一些改動。
四、golang內(nèi)存
4.1 golang怎么解決常見內(nèi)存問題
golang是怎么解決 二 的內(nèi)存管理中的常見問題的呢?
針對上面的1、2、3 這三種問題，golang使用自動垃圾回收機制，一般情況下，都不使用指針運算(要運算用unsafe包)，很少的指針使用。當(dāng)然，內(nèi)存泄漏問題不能完全根除，但是可以解決一大部分問題。
針對下面的4、5、6 這三種問題，golang采用了多級緩存，預(yù)分配的方法，來加快內(nèi)存分配和釋放回收，盡量減少內(nèi)存碎片。詳見TCMalloc內(nèi)存分配簡析 。
4.2 為什么要重新寫一個內(nèi)存分配器
內(nèi)核已經(jīng)有一個malloc的內(nèi)存分配器，為什么還有重寫一個內(nèi)存分配器?
可以看到，malloc是一個很悠久的內(nèi)存分配器，但是隨著時代的發(fā)展，多核多線程已經(jīng)普及，為了更好的應(yīng)用多線程，提高程序效率，以及改進內(nèi)存碎片，所以重新寫了一個內(nèi)存分配器。從這里TCMalloc內(nèi)存分配簡析 可以看出TCMaloc的優(yōu)點，它將內(nèi)存劃分為多級別，減少鎖的開銷。而且每個線程的緩存又分開了多個小的對象，以減少內(nèi)存碎片。等等優(yōu)化改進。
所以go內(nèi)存分配也繼承了這些優(yōu)點。go還有一個原因，那就是go還有GC，需要配合內(nèi)存的垃圾回收。
4.3 內(nèi)存管理到底管理哪個區(qū)域
從上面的進程內(nèi)存布局圖，可以看出一個進程的內(nèi)存劃分了好多不同的區(qū)域，而內(nèi)存管理主要管理的就是Stack和Heap，其中Stack (棧)區(qū)主要由編譯器和系統(tǒng)管理，程序語言主要管理Heap(堆)。而且這里的進程內(nèi)存指的是虛擬內(nèi)存。
4.4 golang內(nèi)存中的概念
golang內(nèi)存分配的基本思想來自TCMalloc，所以go內(nèi)存分配中的幾個概念與TCMalloc很相似，可以看看TCMalloc 中的概念 。
mspan
mspan跟tcmalloc中的span相似，它是golang內(nèi)存管理中的基本單位，也是由頁組成的，每個頁大小為8KB，與tcmalloc中span組成的默認(rèn)基本內(nèi)存單位頁大小相同。mspan里面按照8*2n大小(8b，16b，32b .... )，每一個mspan又分為多個object。
就連名字也很像，mspan中的m應(yīng)該是memory的第一個字母。
mcache
mcache跟tcmalloc中的ThreadCache相似，ThreadCache為每個線程的cache，同理，mcache可以為golang中每個Processor提供內(nèi)存cache使用，每一個mcache的組成單位也是mspan。
mcentral
mcentral跟tcmalloc中的CentralCache相似，當(dāng)mcache中空間不夠用，可以向mcentral申請內(nèi)存?？梢岳斫鉃閙central為mcache的一個“緩存庫”，供mcaceh使用。它的內(nèi)存組成單位也是mspan。
mcentral里有兩個雙向鏈表，一個鏈表表示還有空閑的mspan待分配，一個表示鏈表里的mspan都被分配了。
mheap
mheap跟tcmalloc中的PageHeap相似，負(fù)責(zé)大內(nèi)存的分配。當(dāng)mcentral內(nèi)存不夠時，可以向mheap申請。那mheap沒有內(nèi)存資源呢?跟tcmalloc一樣，向OS操作系統(tǒng)申請。
還有，大于32KB的內(nèi)存，也是直接向mheap申請。
總結(jié)
golang內(nèi)存分配幾個相關(guān)概念，用圖來總結(jié)一下：
后面再進一步分析golang的內(nèi)存分配原理。
五、參考
- 可視化golang內(nèi)存管理
- 《操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》
- a-program-in-memory linux內(nèi)核分析很棒的文章
