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Go 内存管理

2018-10-09 74热度

1. 前言

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。

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。

2. 基础概念

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)*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。

2.1 span

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。

2.1.1 class

跟据对象大小,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:

// class bytes/obj bytes/span objects waste bytes // 1 8 8192 1024 0 // 2 16 8192 512 0 // 3 32 8192 256 0 // 4 48 8192 170 32 // 5 64 8192 128 0 // 6 80 8192 102 32 // 7 96 8192 85 32 // 8 112 8192 73 16 // 9 128 8192 64 0 // 10 144 8192 56 128 // 11 160 8192 51 32 // 12 176 8192 46 96 // 13 192 8192 42 128 // 14 208 8192 39 80 // 15 224 8192 36 128 // 16 240 8192 34 32 // 17 256 8192 32 0 // 18 288 8192 28 128 // 19 320 8192 25 192 // 20 352 8192 23 96 // 21 384 8192 21 128 // 22 416 8192 19 288 // 23 448 8192 18 128 // 24 480 8192 17 32 // 25 512 8192 16 0 // 26 576 8192 14 128 // 27 640 8192 12 512 // 28 704 8192 11 448 // 29 768 8192 10 512 // 30 896 8192 9 128 // 31 1024 8192 8 0 // 32 1152 8192 7 128 // 33 1280 8192 6 512 // 34 1408 16384 11 896 // 35 1536 8192 5 512 // 36 1792 16384 9 256 // 37 2048 8192 4 0 // 38 2304 16384 7 256 // 39 2688 8192 3 128 // 40 3072 24576 8 0 // 41 3200 16384 5 384 // 42 3456 24576 7 384 // 43 4096 8192 2 0 // 44 4864 24576 5 256 // 45 5376 16384 3 256 // 46 6144 24576 4 0 // 47 6528 32768 5 128 // 48 6784 40960 6 256 // 49 6912 49152 7 768 // 50 8192 8192 1 0 // 51 9472 57344 6 512 // 52 9728 49152 5 512 // 53 10240 40960 4 0 // 54 10880 32768 3 128 // 55 12288 24576 2 0 // 56 13568 40960 3 256 // 57 14336 57344 4 0 // 58 16384 16384 1 0 // 59 18432 73728 4 0 // 60 19072 57344 3 128 // 61 20480 40960 2 0 // 62 21760 65536 3 256 // 63 24576 24576 1 0 // 64 27264 81920 3 128 // 65 28672 57344 2 0 // 66 32768 32768 1 0 

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*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。

2.1.2 span数据结构

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:

type mspan struct { next *mspan //链表前向指针,用于将span链接起来 prev *mspan //链表前向指针,用于将span链接起来 startAddr uintptr // 起始地址,也即所管理页的地址 npages uintptr // 管理的页数 nelems uintptr // 块个数,也即有多少个块可供分配 allocBits *gcBits //分配位图,每一位代表一个块是否已分配 allocCount uint16 // 已分配块的个数 spanclass spanClass // class表中的class ID elemsize uintptr // class表中的对象大小,也即块大小 } 

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。

2.2 cache

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:

type mcache struct { alloc [67*2]*mspan // 按class分组的mspan列表 } 

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。

2.3 central

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:

type mcentral struct { lock mutex //互斥锁 spanclass spanClass // span class ID nonempty mSpanList // non-empty 指还有空闲块的span列表 empty mSpanList // 指没有空闲块的span列表 nmalloc uint64 // 已累计分配的对象个数 } 
  • 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:

  1. 加锁
  2. 从nonempty列表获取一个可用span,并将其从链表中删除
  3. 将取出的span放入empty链表
  4. 将span返回给线程
  5. 解锁
  6. 线程将该span缓存进cache

线程将span归还步骤如下:

  1. 加锁
  2. 将span从empty列表删除
  3. 将span加入noneempty列表
  4. 解锁

上述线程从central中获取span和归还span只是简单流程,为简单起见,并未对具体细节展开。

2.4 heap

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:

type mheap struct { lock mutex spans []*mspan bitmap uintptr //指向bitmap首地址,bitmap是从高地址向低地址增长的 arena_start uintptr //指示arena区首地址 arena_used uintptr //指示arena区已使用地址位置 central [67*2]struct { mcentral mcentral pad [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%sys.CacheLineSize]byte } } 
  • 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。

3. 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:

  1. 获取当前线程的私有缓存mcache
  2. 跟据size计算出适合的class的ID
  3. 从mcache的alloc[class]链表中查询可用的span
  4. 如果mcache没有可用的span则从mcentral申请一个新的span加入mcache中
  5. 如果mcentral中也没有可用的span则从mheap中申请一个新的span加入mcentral
  6. 从该span中获取到空闲对象地址并返回

4. 总结

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

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