（十一）golang 内存分析

编写过C语言程序的肯定知道通过malloc()方法动态申请内存，其中内存分配器使用的是glibc提供的ptmalloc2。 除了glibc，业界比较出名的内存分配器有Google的tcmalloc和Facebook的jemalloc。二者在避免内存碎片和性能上均比glic有比较大的优势，在多线程环境中效果更明显。

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Golang中也实现了内存分配器，原理与tcmalloc类似，简单的说就是维护一块大的全局内存，每个线程(Golang中为P)维护一块小的私有内存，私有内存不足再从全局申请。另外，内存分配与GC（垃圾回收）关系密切，所以了解GC前有必要了解内存分配的原理。

为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。 以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：

预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。

arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；

spans区域存放span的指针，每个指针对应一个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)乘以指针大小8byte = 512M

bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。

span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

根据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：

上表中每列含义如下：

class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型

bytes/obj：该class代表对象的字节数

bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数乘以页大小

objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）waste

bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）上表可见最大的对象是32K大小，超过32K大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。

span是内存管理的基本单位,每个span用于管理特定的class对象, 跟据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：

以class 10为例，span和管理的内存如下图所示：

spanclass为10，参照class表可得出npages=1,nelems=56,elemsize为144。其中startAddr是在span初始化时就指定了某个页的地址。allocBits指向一个位图，每位代表一个块是否被分配，本例中有两个块已经被分配，其allocCount也为2。next和prev用于将多个span链接起来，这有利于管理多个span，接下来会进行说明。

有了管理内存的基本单位span，还要有个数据结构来管理span，这个数据结构叫mcentral，各线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断的加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。src/runtime/mcache.go:mcache定义了cache的数据结构

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。mcache和span的对应关系如下图所示：

mchache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态的从central中获取并缓存下来，跟据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。src/runtime/mcentral.go:mcentral定义了central数据结构：

lock: 线程间互斥锁，防止多线程读写冲突

spanclass : 每个mcentral管理着一组有相同class的span列表

nonempty: 指还有内存可用的span列表

empty: 指没有内存可用的span列表

nmalloc: 指累计分配的对象个数线程从central获取span步骤如下：

将span归还步骤如下：

从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。src/runtime/mheap.go:mheap定义了heap的数据结构：

lock： 互斥锁

spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系

bitmap：bitmap的起始地址

arena_start: arena区域首地址

arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址

central: 每种class对应的两个mcentral

从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。mheap内存管理示意图如下：

系统预分配的内存分为spans、bitmap、arean三个区域，通过mheap管理起来。接下来看内存分配过程。

针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：

(0, 16B) 且不包含指针的对象： Tiny分配

(0, 16B) 包含指针的对象：正常分配

[16B, 32KB] : 正常分配

(32KB, -) : 大对象分配其中Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。

以申请size为n的内存为例，分配步骤如下：

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。1、Golang程序启动时申请一大块内存并划分成spans、bitmap、arena区域

2、arena区域按页划分成一个个小块。

3、span管理一个或多个页。

4、mcentral管理多个span供线程申请使用

5、mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral。

Go 切片内存分配

切片是数组的抽象。 切片使用数组作为底层结构。 切片包含三个组件：容量，长度和指向底层数组的指针。

通过使用 append 或 copy 函数可以增加切片的容量。 append 函数可以为数组的末尾增加值，并在需要时增加容量。

当前储存空间存不下数据时，空间会以之前的空间数*2

比如：

定义 numbers 的数组长度为5 ，空间给他10，并追加数据到切片。

空间为10， 当我们再添加一个数据到切片时候，空间是多少了呢？

得到数据为20，和我们设想的一样。

切片中的数据是共用内存，也就是我们选区切片区间的某一个值，并且在这个小对象中进行数据的修改，会影响整个切片的值，在开发当中非常要注意这种。

举个例子：

取了一个first 和second 这两个数据重合的数据是2.

打印一下：

虽然在second 中修改了数据，但是影响到了大对象numbers 的数据，还有一个要注意的是，first 小对象，他的内存分配是5，second 的空间是4，这是为啥呢？原来，这样取的小对象切片，的空间是这个切片加上大对象末尾的值

开发中如果修改了其中的一个变量，但是又不想影响大对象，这个时候会傻掉。

那如何去获取一个和numbers 一样的数据，但是又不会影响numbers呢？

我们copy一份numbers

输出一下结果：

好，不懂在座的各位看懂了没有。没有影响的，通过copy 切片再去修改切片的值，是不会印象原切片的。

Go语言中new和 make的区别详解

1、new 的主要特性

首先 new 是内建函数，定义也很简单：

func new(Type) *Type

内建函数 new 用来分配内存，第一个参数是一个类型，不是一个值，返回值是一个指向新分配类型零值的指针

实现一个类似 new 的功能：

func newInt() *int {

var i int

return i

}

someInt := newInt()

函数的功能跟 someInt := new(int) 一模一样。定义 new 开头的函数时，出于约定也应该返回类型的指针。

2、make 的主要特性

make 也是内建函数，定义比 new 多了一个参数，返回值也不同：

func make(Type, size IntegerType) Type

内建函数 make 用来为 slice，map 或 chan 类型分配内存和初始化一个对象(注意：只能用在这三种类型上)，跟 new 类似，第一个参数也是一个类型而不是一个值，跟 new 不同的是，make 返回类型的引用而不是指针，而返回值也依赖于具体传入的类型，具体说明如下：

Slice: 第二个参数 size 指定了长度，容量和长度相同。

可以传入第三个参数来指定不同的容量值，但必须不能比长度值小。

比如 make([]int, 0, 10)

Map: 根据 size 大小来初始化分配内存，不过分配后的 map 长度为 0，如果 size 被忽略了，那么会在初始化分配内存时分配一个小尺寸的内存

Channel: 管道缓冲区依据缓冲区容量被初始化。如果容量为 0 或者忽略容量，管道没有缓冲区。

3、总结

new 的作用是初始化一个指向类型的指针(*T)，make 的作用是为 slice，map 或 chan 初始化并返回引用(T)。

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