编写过C或者C++程序的都知道，我们要手动申请或释放内存。Go的内存是自动管理的，不需要我们考虑内存的申请和释放问题。尽管我们不需要考虑内存的管理问题，但了解Go在内存管理方法做了什么，有助于我们写出高效的程序。

先来一张Go内存分配的全局图

分配方法

顺序分配器

当我们在编程语言中使用顺序分配器，我们只需要在内存中维护一个指向内存特定位置的指针，当用户程序申请内存时，分配器只需要检查剩余的空闲内存、返回分配的内存区域并修改指针在内存中的位置，即移动下图中的指针

顺序分配器的问题是：无法在内存被释放时重用内存。如下图所示，如果已经分配的内存被回收，顺序分配器是无法重新利用红色的这部分内存的：

所以顺序分配器在回收内存时，需要整理内存碎片，将空闲内存定期合并。

空闲链表分配器

Go使用的内存分配器，将内存分割成多个链表，每个链表中的内存块大小相同，申请内存时先找到满足条件的链表，再遍历链表，找到空闲的内存块。（时间复杂度O(n))。

这种方法可以避免顺序分配器的内存碎片，同时减少了需要遍历的内存块数量。

具体实现

内存基本单元

mspan是Go内存管理的基本单元。

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
}

Go根据对象大小，划分为一系列class，每个class代表一个固定大小的对象，和每个mspan的大小。上面mspan结构体里的spanClass属性，它决定了一个内存管理单元mspan存储的对象大小和个数。

• bytes/obj：该class代表的对象占用的字节数
• bytes/span：每个内存管理单元占用的字节数
• objects：每个内存管理单元可以分配的对象个数，objects = (bytes/span) / (bytes/obj)
• waste bytes：每个内存管理单元产生的内存碎片，waste bytes = (bytes/span) % (bytes/obj)

所有一个内存管理单元mspan一般是可以分配多个对象的，内存管理单元和对象一般是一对多的关系。

线程缓存

mcache是管理mspan的数据结构。mcache（线程缓存）会与处理器P一一绑定。每一个线程缓存都会有67*2个mspan列表。

列表中每个元素代表一种class类型的mspan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。

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

当为小于32k的对象分配内存时，go会从运行当前协程的P上的线程缓存mcache，根据对象的大小，找到对应的mspan列表，遍历列表，为对象分配内存。

mcahce的存在，避免了多线程申请内存时需要加锁。

中心缓存

当为对象分配内存时，如果线程缓存mcache对应的mspan列表已经没有空闲的内存块可以分配，会向中心缓存mcentral申请内存。

Go为每一种class类型的mspan维护一个mcentral，每一个mcentral都有一个empty list和noempty list。

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
}

mcentral不同于mcache，mcache是作为线程的私有资源，为单个线程服务的，而mcentral是全局资源，服务多个线程，访问中心缓存中的内存管理单元需要使用互斥锁。

页堆

从mcentral的数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class类型的mspan。

堆上初始化的所有对象都由mheap统一管理，页堆mheap包含一个长度为67*2的mcentral列表。

type mheap struct {
    lock mutex
    arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena
    central [134]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize]byte
    }

mheap通过使用二维的heapArena数组管理所有的内存。

type heapArena struct {
    bitmap [heapArenaBitmapBytes]byte
    spans [pagesPerArena]*mspan
    pageInUse [pagesPerArena / 8]uint8
    pageMarks [pagesPerArena / 8]uint8
    zeroedBase uintptr
}

当mcentral没有足够的内存时，会向mheap申请。

大对象

超过32K的对象，会直接被分配到堆上。

参考资料

内存分配原理

内存分配器

Understanding Allocations: the Stack and the Heap - GopherCon SG 2019