GO内存管理：内存组件之mspan、mcache、mcentral 和 mheap 数据结构

原文：https://blog.haohtml.com/archives/29385

Golang中的内存组件关系如下图所示

golang 内存分配组件

在学习golang 内存时，经常会涉及几个重要的数据结构，如果不熟悉它们的情况下，理解起来就显得格外的吃力，所以本篇主要对相关的几个内存组件做下数据结构的介绍。

在 Golang 中，mcache、mspan、mcentral 和 mheap 是内存管理的四大组件，mcache 管理线程在本地缓存的 mspan，而 mcentral 管理着全局的 mspan 为所有 mcache 提供所有线程。

根据分配对象的大小，内部会使用不同的内存分配机制，详细参考函数 mallocgo()

<16KB 会使用微小对象内存分配器从 P 中的 mcache 分配，主要使用 mcache.tinyXXX 这类的字段
16-32KB 从 P 中的 mcache 中分配
>32KB 直接从 mheap 中分配

对于golang中的内存申请流程，大家应该都非常熟悉了，这里不再进行详细描述。

Golang 内存组件关系

参考资料

mcache

在GPM关系中，会在每个 P 下都有一个 mcache 字段，用来表示内存信息。

在 Go 1.2 版本以前调度器使用的是 GM 模型，将 mcache 放在了 M 里，但发现存在诸多问题，其中对于内存这一块存在着巨大的浪费。每个 M 都持有 mcache 和 stack alloc，但只有在 M 运行 Go 代码时才需要使用内存(每个 mcache 可以高达2mb)，当 M 在处于 syscall 或 网络请求 的时候是不需要内存的，再加上 M 又是允许创建多个的，这就造成了内存的很大浪费。所以从go 1.3版本开始使用了GPM模型，这样在高并发状态下，每个G只有在运行的时候才会使用到内存，而每个 G 会绑定一个P，所以它们在运行只占用一份 mcache，对于 mcache 的数量就是P 的数量，同时并发访问时也不会产生锁。

对于 GM 模型除了上面提供到内存浪费的问题，还有其它问题，如单一全局锁sched.Lock、goroutine 传递问题和内存局部性等。

在 P 中，一个 mcache 除了可以用来缓存小对象外，还包含一些本地分配统计信息。由于在每个P下面都存在一个mcache ，所以多个 goroutine 并发请求内存时是无锁的。

mcache

当申请一个 16b 大小的内存时，会优先从运行当前G所在的 P 里的 mcache 字段里找到相匹配的 mspan 规格，是不需要锁的，此时最合适的是图中 mspan3 规格。

mcache是从非GC内存中分配的，所以任何一个堆指针都必须经过特殊处理。源码文件：https://github.com/golang/go/blob/go1.16.2/src/runtime/mcache.go

type mcache struct { // 下方成员会在每次访问malloc时都会被访问，所以为了更加高效缓存将其按组放在这里 nextSample uintptr // trigger heap sample after allocating this many bytes scanAlloc uintptr // bytes of scannable heap allocated // 小对象缓存，<16b。推荐阅读Tiny allocator注释文档 tiny uintptr tinyoffset uintptr tinyAllocs uintptr // 下方成员不会在每次 malloc 时被访问 alloc [numSpanClasses]*mspan // spans to allocate from, indexed by spanClass stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist flushGen uint32 }

nextSample 分配多少大小的堆时触发堆采样;
scannAlloc 分配的可扫描堆字节数;
tiny 堆指针，指向当前 tiny 块的起始指针，如果当前无tiny块则为nil。在终止标记期间，通过调用 mcache.releaseAll() 来清除它;
tinyoffset 当前tiny 块的位置;
tinyAllocs 拥有当前 mcache 的 P 执行的微小分配数;
alloc [numSpanClasses]*mspan 当前P的分配规格信息，共 numSpanClasses = _NumSizeClasses << 1 种规格，每个规格的都存在两份，一个包含指针，另一个不包含指针，GC时只对包含指针的这份进行处理
stackcache 内存规格序号，按 spanClass 索引，参考这里;
flushGen 表示上次刷新 mcache 的 sweepgen（清扫生成）。如果 flushGen != mheap_.sweepgen 则说明 mcache 已过期需要刷新，需被被清扫。在 acrequirep 中完成;

mcache.tiny 是一个指针，当申请对象大小为 <16KB 的时候，会使用 Tiny allocator 分配器，会根据tiny、tinyoffset 和 tinyAllocs 这三个字段的情况进行申请。

span 大小规格数据共有 67 类。源码里定义的虽然是 _NumSizeClasses = 68 类，但其中包含一个大小为 0 的规格，此规格表示大对象，即 >32KB，此种对象只会分配到heap上，所以不可能出现在 mcache.alloc 中。

mcache.alloc 是一个数组，值为 *spans 类型，它是 go 中管理内存的基本单元。对于16-32 kb大小的内存都会使用这个数组里的的 spans 中分配。每个span存在两次，一个不包含指针的对象列表和另一个包含指针的对象列表。这种区别将使垃圾收集的工作更容易，因为它不必扫描不包含任何指针的范围。

mspan

mspan 是分配内存时的基本单元。当分配内存时，会在mcache中查找适合规格的可用 mspan，此时不需要加锁，因此分配效率极高。

Go将内存块分为大小不同的 67 种，然后再把这 67 种大内存块，逐个分为小块(可以近似理解为大小不同的相当于page)称之为span(连续的page)，在go语言中就是上文提及的mspan。

mspans

对象分配的时候，根据对象的大小选择大小相近的span。

spans 与 mcache 的关系如下图所示

mspans // mSpanList heads a linked list of spans. // 指向spans链表 //go:notinheap type mSpanList struct { first *mspan // first span in list, or nil if none last *mspan // last span in list, or nil if none }   //go:notinheap type mspan struct { next *mspan // next span in list, or nil if none prev *mspan // previous span in list, or nil if none list *mSpanList // For debugging. TODO: Remove.   startAddr uintptr // address of first byte of span aka s.base() npages uintptr // number of pages in span   manualFreeList gclinkptr // list of free objects in mSpanManual spans   freeindex uintptr   nelems uintptr // number of object in the span.   allocCache uint64   allocBits *gcBits gcmarkBits *gcBits   // sweep generation: // if sweepgen == h->sweepgen - 2, the span needs sweeping // if sweepgen == h->sweepgen - 1, the span is currently being swept // if sweepgen == h->sweepgen, the span is swept and ready to use // if sweepgen == h->sweepgen + 1, the span was cached before sweep began and is still cached, and needs sweeping // if sweepgen == h->sweepgen + 3, the span was swept and then cached and is still cached // h->sweepgen is incremented by 2 after every GC   sweepgen uint32 divMul uint16 // for divide by elemsize - divMagic.mul baseMask uint16 // if non-0, elemsize is a power of 2, & this will get object allocation base allocCount uint16 // number of allocated objects spanclass spanClass // size class and noscan (uint8) state mSpanStateBox // mSpanInUse etc; accessed atomically (get/set methods) needzero uint8 // needs to be zeroed before allocation divShift uint8 // for divide by elemsize - divMagic.shift divShift2 uint8 // for divide by elemsize - divMagic.shift2 elemsize uintptr // computed from sizeclass or from npages limit uintptr // end of data in span speciallock mutex // guards specials list specials *special // linked list of special records sorted by offset. }

mSpanList 是一个mspans链表，这个很好理解。重点看下 mspan 结构体

next 指向下一个 span 的指针，为 nil 表示没有
prev 指向上一个 span 的指针，与 next 相反
list 指向 mSpanList，调试使用，以后会废弃
startAddr span第一个字节地址，可通过 s.base() 函数读取
npages span中的页数（一个span 是由多个page组成的，与linux中的页不是同一个概念）
manualFreeList 在 mSpanManual spans中的空闲对象的列表
freeindex 标记 0~nelems 之间的插槽索引，标记的的是在span中的下一个空闲对象;
每次分配内存都从 allocBits 的 freeindex 索引位置开始，直到遇到 0 ,表示空闲对象，然后调整 freeindex 使得下一次扫描能跳过上一次的分配；
若 freeindex==nelem，则当前span没有了空余对象；
allocBits 是对象在span中的位图；
如果 n >= freeindex and allocBits[n/8] & (1<<(n%8)) == 0 , 那么对象 n 是空闲的；
否则，对象 n 表示已被分配。从 elem 开始的是未定义的，将不应该被定义；
nelems span中对象数（page是内存存储的基本单元, 一个span由多个page组成，同时一个对象可能占用一个或多个page)；
allocCache 在 freeindex 位置的 allocBits 缓存；
allocBits 标记span中的elem哪些是“被使用”了的，哪些是未被使用的；清除后将释放 allocBits ，并将 allocBits 的值设置为 gcmarkBits；
gcmarkBits 标记span中的elem哪些是“被标记”了的，哪些是未被标记的；
spanclass spanClass类型；
state 由于协程栈也是从堆上分配的，也在mheap管理的这些span中，mspan.spanState会记录该span是用作堆内存，还是用作栈内存；

每个 mspan 都对应两个位图标记：mspan.allocBits 和 mspan.gcmarkBits。

（1）allocBits中每一位用于标记一个对象存储单元是否已分配。

allocBits

（2）gcmarkBits中每一位用于标记一个对象是否存活。

gcMarkBits

03. Golang中GC的三色标记

（1）着为灰色对应的操作就是把指针对应的gcmarkBits标记位置为 1并加入工作队列。
（2）着为黑色对应的操作就是把对象对应的gcmarkBits标记位置为1。
（3）白色对象就是那些gcmarkBits中标记为 0 的对象。

mcentral

mentral 是一个空闲列表。

实际上 mcentral 它并不包含空闲对象列表，真正包含的是 mspan 。

每个mcentral 是两个 mspans 列表：空闲对象 c->notempty 和完全分配对象 c->empty，如图所示

mcentral

当申请一个 16b 大小的内存时，如果 p.mcache 中无可用大小内存时，则它找一个最合适的规则 mcentral 查找，如图所示这时会在存放16b大小的 mcentral 中的 notempty 里查找。

文件源码：https://github.com/golang/go/blob/go1.16.2/src/runtime/mcentral.go

type mcentral struct { spanclass spanClass partial [2]spanSet // list of spans with a free object full [2]spanSet // list of spans with no free objects }

spanClass 指当前规格大小
partial 存在空闲对象spans列表
full 无空闲对象spans列表

其中 partial 和 full 都包含两个 spans 集数组。一个用在扫描 spans,另一个用在未扫描spans。在每轮GC期间都扮演着不同的角色。mheap_.sweepgen 在每轮gc期间都会递增2。

partial 和 full 的数据类型为 spanSet，表示 *mspans 集。

type spanSet struct { spineLock mutex spine unsafe.Pointer // *[N]*spanSetBlock, accessed atomically spineLen uintptr // Spine array length, accessed atomically spineCap uintptr // Spine array cap, accessed under lock index headTailIndex }

对 mcentral 的初始化如下

// Initialize a single central free list. func (c *mcentral) init(spc spanClass) { c.spanclass = spc lockInit(&c.partial[0].spineLock, lockRankSpanSetSpine) lockInit(&c.partial[1].spineLock, lockRankSpanSetSpine) lockInit(&c.full[0].spineLock, lockRankSpanSetSpine) lockInit(&c.full[1].spineLock, lockRankSpanSetSpine) }

mheap

还是上面的例子，假如申请 16b 内存时，依次经过 mcache 和 mcentral 都没有可用适宜规则的大小内存，这时候会向 mheap 申请一块内存。然后按指定规格划分为一些列表，并将其添加到相同规格大小的 mcentral 的 not empty list 后面；

mheap

Go 没法使用工作线程的本地缓存 mcache 和全局中心缓存 mcentral 上管理超过32KB的内存分配，所以对于那些超过32KB的内存申请，会直接从堆上(mheap)上分配对应的数量的内存页(每页大小是8KB)给程序。

type mheap struct { // lock must only be acquired on the system stack, otherwise a g // could self-deadlock if its stack grows with the lock held. lock mutex pages pageAlloc // page allocation data structure sweepgen uint32 // sweep generation, see comment in mspan; written during STW sweepdone uint32 // all spans are swept sweepers uint32 // number of active sweepone calls     allspans []*mspan // all spans out there   _ uint32 // align uint64 fields on 32-bit for atomics   // Proportional sweep pagesInUse uint64 // pages of spans in stats mSpanInUse; updated atomically pagesSwept uint64 // pages swept this cycle; updated atomically pagesSweptBasis uint64 // pagesSwept to use as the origin of the sweep ratio; updated atomically sweepHeapLiveBasis uint64 // value of heap_live to use as the origin of sweep ratio; written with lock, read without sweepPagesPerByte float64 // proportional sweep ratio; written with lock, read without   scavengeGoal uint64   // Page reclaimer state // This is accessed atomically. reclaimIndex uint64   // This is accessed atomically. reclaimCredit uintptr     arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena     heapArenaAlloc linearAlloc     arenaHints *arenaHint     arena linearAlloc     allArenas []arenaIdx   sweepArenas []arenaIdx     markArenas []arenaIdx     curArena struct { base, end uintptr }   _ uint32 // ensure 64-bit alignment of central   central [numSpanClasses]struct { mcentral mcentral pad [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize]byte }   spanalloc fixalloc // allocator for span* cachealloc fixalloc // allocator for mcache* specialfinalizeralloc fixalloc // allocator for specialfinalizer* specialprofilealloc fixalloc // allocator for specialprofile* speciallock mutex // lock for special record allocators. arenaHintAlloc fixalloc // allocator for arenaHints   unused *specialfinalizer // never set, just here to force the specialfinalizer type into DWARF }

var mheap_ mheap

lock 全局锁，保证并发，所以尽量避免从mheap中分配
pages 页面分配的数据结构
sweepgen 清扫生成
sweepdone 清扫完成标记
sweepers 活动清扫调用 sweepone 数
allspans 所有的 spans 都是通过 mheap_ 申请，所有申请过的 mspan 都会记录在 allspans。结构体中的 lock 就是用来保证并发安全的。
pagesInUse 统计mSpanInUse 中spans的页数
pagesSwept 本轮清扫的页数
pagesSweptBasis 用作清扫率
sweepHeapLiveBasis 用作扫描率的heap_live 值
sweepPagesPerByte 清扫率
scavengeGoal 保留的堆内存总量（预先设定的），runtime 将试图返还内存给OS
reclaimIndex 指回收的下一页在allAreans 中的索引。具体来说，它指的是 arena allArenas[i/pagesPerArena] 的第（i%pagesPerArena）页
reclaimCredit 多余页面的备用信用。因为页回收器工作在大块中，它可能回收的比请求的要多，释放的任何备用页将转到此信用池
arenas [1 << arenaL1Bits]*[1 << arenaL2Bits]*heapArena 重要字段！堆arena 映射。它指向整个可用虚拟地址空间的每个 arena 帧的堆元数据；
使用arenaIndex将索引计算到此数组中；
对于没有Go堆支持的地址空间区域，arena映射包含nil；
一般来说，这是一个两级映射，由一个L1级映射和多个L2级映射组成；
当有大量的的 arena 帧时将节省空间，然而在许多平台(64位),arenaL1Bits 是0，这实际上是一个单级映射。这种情况下arenas[0]永远不会为零。
heapArenaAlloc 是为分配 heapArena 对象而预先保留的空间。仅仅用于32位系统。
arenaHints 试图添加更多堆 arenas 的地址列表。它最初由一组通用少许地址填充，并随实 heap arena 的界限而增长。
arena linearAlloc
allArenas []arenaIdx 是每个映射arena的arenaIndex 索引。可以用以遍历地址空间。
sweepArenas []arenaIdx 指在清扫周期开始时保留的 allArenas 快照
markArenas []arenaIdx 指在标记周期开始时保留的 allArenas 快照
curArena 指heap当前增长时的 arena，它总是与physPageSize对齐。
central 重要字段！这个就是上面介绍的 mcentral ，每种规格大小的块对应一个 mcentral。pad 是一个字节填充，用来避免伪共享（false sharing）
spanalloc 数据类型 fixalloc 是 free-list，用来分配特定大小的块。比如 cachealloc 分配 mcache 大小的块。
cachealloc 同上
其它

对于 mheap.arenas 字段对应 heapArena类型, 用来存储 heap arena 元数据，存储在Go堆的外部，并通过 mheap.arenas 索引进行访问。

// A heapArena stores metadata for a heap arena. heapArenas are stored // outside of the Go heap and accessed via the mheap_.arenas index. // //go:notinheap type heapArena struct { bitmap [heapArenaBitmapBytes]byte spans [pagesPerArena]*mspan   pageInUse [pagesPerArena / 8]uint8 pageMarks [pagesPerArena / 8]uint8 pageSpecials [pagesPerArena / 8]uint8 checkmarks *checkmarksMap   zeroedBase uintptr }

heapArena.bitmap 中每两个 bit 对应标记 arena 中一个指针大小的word（也就是说 bitmap 中一个 byte 即 8 个位可以标记 arena 中连续四个指针大小的内存）；
每个word对应的两个 bit 中，低位bit用于标记是否为指针，0为非指针，1为指针；
高位bit用于标记是否要继续扫描，高位bit为1就代表扫描完当前word并不能完成当前数据对象的扫描；

HeapArena.bitmap

heapArena.spans 是一个*mspan 类型的数组，用于记录当前arena中每一页对应到哪一个mspan。

HeapArena.spans

heapArena.pageInUse 位图类型，指哪些spans 处于 mSpanInUse 状态;
heapArena.pageMarks 位图类型，指哪些 spans 已被标记。与 pageInUse 类似，但只使用每个span中的首页的位;
heapArena.pageSpecials 位图类型，指哪些spans有specials (finalizers or other).与 pageInUse 类似，但只使用每个span中的首页的位;
heapArena.checkmarks 调度使用，仅在 debug.gccheckmark > 0 时使用。检查存储 debug.gccheckmark 状态；
heapArena.zeroedBase 标记在arena 首页的第一个字节，未使用

基于 HeapArena 记录的元数据信息，我们只要知道一个对象的地址，就可以根据 HeapArena.bitmap 信息扫描它内部是否含有指针；也可以根据对象地址计算出它在哪一页，然后通过 HeapArena.spans 信息查到该对象存在哪一个mspan中。

对于heap结构中的字段比较多，有几个使用频率非常高的字段，如 allspans、arenas、allArenas、sweepArenas、markArenas 和 central 。有些是与GC 有关，有些是与内存维护管理有关。随着阅读runtime的时间，会越来越了解每个字段的使用场景。

原文：https://blog.haohtml.com/archives/29385

mcache

mspan

mcentral

mheap

参考资料