Golang内存管理——堆分配
go语言的内存自动分配和回收的，因此内存的使用流程大致为：获取内存——分配内存——回收内存——再分配内存。
其中分配内存分为两方面，堆内存分配和栈内存分配，堆内存和栈内存是两种不同的分配方式，本篇文章主要是堆内存的分配方式。
1. 自主内存管理
Go语言为了方便内存的自主管理，一开始启动的时候会向操作系统申请一大块连续的内存，后续的内存分配都是基于这一大块内存的。如果程序运行过程中，内存不足了，Go语言会再向操作系统进行内存的申请。
为了高效的进行内存管理，Go语言将申请到的内存划分为三个区域，分别为spans、bitmap、arena。其中arena是堆区，GO语言将其划分为一个个8KB的page页，程序运行过程中的内存都是从arena堆区进行分配的。spans和bitmap是为了对arena堆区的高效管理而设置的。
2. mspan 和 ClassID表
我们程序的运行，从使用的角度看，以对象为基本单位的。比如：函数是一个对象、goroutine是一个对象、slice是一个对象。因此，为了实现从对象到内存页之间的映射，Go语言引入了一个mspan结构体。mspan是内存管理的基本单位，每一个span包含一个或多个连续的页。为了满足小对象的分配，会将span中的一页划分为更小的粒度，而对于大对象比如超过页的大小，则会通过多页实现。每个span用于管理特定的class对象，根据对象的大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。
mspan的结构体定义如下：位置 runtime:mheap.go 一些字段已经省略了
type mspan struct {next *mspan // 链表后向指针，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，即所管理页的地址npages uintptr // 该span中占用的page页数//作用于GC,垃圾会有的时候会使用这三个字段allocBits *gcBits //分配位图，每一位代表一个块是否已分配gcmarkBits *gcBitspinnerBits *gcBits allocCount uint16 // 该Span中已经分配的对象数量spanclass spanClass // 该Span的等级，一个特定的span中存储特定的ClassID大小的对象elemsize uintptr // 块大小，该span中存储特定ClassID的大小
}
Class等级列表如下:
源码位置：runtime:sizeclasses.go
划分如此多的Class等级的目的：
- 尽可能地减少内存浪费
- 降低从全局缓存中获取特定SpanClass锁的粒度
// class bytes/obj bytes/span objects tail waste max waste min align
// 1 8 8192 1024 0 87.50% 8
// 2 16 8192 512 0 43.75% 16
// 3 24 8192 341 8 29.24% 8
// 4 32 8192 256 0 21.88% 32
// 5 48 8192 170 32 31.52% 16
// 6 64 8192 128 0 23.44% 64
// 7 80 8192 102 32 19.07% 16
// 8 96 8192 85 32 15.95% 32
// 9 112 8192 73 16 13.56% 16
// 10 128 8192 64 0 11.72% 128
// 11 144 8192 56 128 11.82% 16
// 12 160 8192 51 32 9.73% 32
// 13 176 8192 46 96 9.59% 16
// 14 192 8192 42 128 9.25% 64
// 15 208 8192 39 80 8.12% 16
// 16 224 8192 36 128 8.15% 32
// 17 240 8192 34 32 6.62% 16
// 18 256 8192 32 0 5.86% 256
// 19 288 8192 28 128 12.16% 32
// 20 320 8192 25 192 11.80% 64
// 21 352 8192 23 96 9.88% 32
// 22 384 8192 21 128 9.51% 128
// 23 416 8192 19 288 10.71% 32
// 24 448 8192 18 128 8.37% 64
// 25 480 8192 17 32 6.82% 32
// 26 512 8192 16 0 6.05% 512
// 27 576 8192 14 128 12.33% 64
// 28 640 8192 12 512 15.48% 128
// 29 704 8192 11 448 13.93% 64
// 30 768 8192 10 512 13.94% 256
// 31 896 8192 9 128 15.52% 128
// 32 1024 8192 8 0 12.40% 1024
// 33 1152 8192 7 128 12.41% 128
// 34 1280 8192 6 512 15.55% 256
// 35 1408 16384 11 896 14.00% 128
// 36 1536 8192 5 512 14.00% 512
// 37 1792 16384 9 256 15.57% 256
// 38 2048 8192 4 0 12.45% 2048
// 39 2304 16384 7 256 12.46% 256
// 40 2688 8192 3 128 15.59% 128
// 41 3072 24576 8 0 12.47% 1024
// 42 3200 16384 5 384 6.22% 128
// 43 3456 24576 7 384 8.83% 128
// 44 4096 8192 2 0 15.60% 4096
// 45 4864 24576 5 256 16.65% 256
// 46 5376 16384 3 256 10.92% 256
// 47 6144 24576 4 0 12.48% 2048
// 48 6528 32768 5 128 6.23% 128
// 49 6784 40960 6 256 4.36% 128
// 50 6912 49152 7 768 3.37% 256
// 51 8192 8192 1 0 15.61% 8192
// 52 9472 57344 6 512 14.28% 256
// 53 9728 49152 5 512 3.64% 512
// 54 10240 40960 4 0 4.99% 2048
// 55 10880 32768 3 128 6.24% 128
// 56 12288 24576 2 0 11.45% 4096
// 57 13568 40960 3 256 9.99% 256
// 58 14336 57344 4 0 5.35% 2048
// 59 16384 16384 1 0 12.49% 8192
// 60 18432 73728 4 0 11.11% 2048
// 61 19072 57344 3 128 3.57% 128
// 62 20480 40960 2 0 6.87% 4096
// 63 21760 65536 3 256 6.25% 256
// 64 24576 24576 1 0 11.45% 8192
// 65 27264 81920 3 128 10.00% 128
// 66 28672 57344 2 0 4.91% 4096
// 67 32768 32768 1 0 12.50% 81923. mcentral 和 mcache
首先，我们申请内存是以goroutine为单位的（也可以说是线程），以线程为单位去获取对应的span。其次为了方便对span的管理，我们需要引入结构体来管理span。结构体就是mcentral。mcentral是一个全局的缓存，各线程需要内存的时候，从central中获取对应的span。为了避免多线程申请内存的时候，不断进行加锁。Go为每一个线程设置了一个本地缓存，也就是mcache。每一个线程需要内存的时候，优先从本地缓存mcache中获取对应的span,如果本地缓存中不存在对应的span,则会从全局队列mcentral中获取。
mcache和mcentral的结构体定义如下：runtime:mcentral.go 和 runtime:mcache.go
// 给定大小的空闲对象全局缓存,一个全局缓存存储特定ClassID的span
type mcentral struct {_ sys.NotInHeapspanclass spanClass //存储的特定的classID的spanpartial [2]spanSet // 还有空闲块的span列表full [2]spanSet // 无空闲块的span列表
}// 每一个线程(在Go中,指的是每一个P)都有一个mcache小对象
// 进行操作的时候，不需要锁，因为它是属于每个线程的
type mcache struct {alloc [2*68]*mspan // 本cache中被分配的跨度,索引是span对应的classIDstackcache [_NumStackOrders]stackfreelist //线程中执行栈的空闲span链表
}以上源码的部分都经过了省略，字段展示的不全，想要深入了解的朋友，自行浏览。
从以上结构体的定义中，我们可以发现，mcache中有所有ClassID的span链表，而mcentral只管理特定ClassID的span。所以，在mcentral上层，应该还有一个结构体，去管理所有ClassID的mcentral,这个结构体就是mheap。
4. mheap
// 分配堆
type mheap struct {lock mutex/*allspans存储所有已创建的mspan的切片。每个mspan只出现一次通常,allspans被mheap的锁保护，防止并发访问，并释放后台存储。*/allspans []*mspan // all spans out there// 所有的central列表central [2*68]struct {mcentral mcentralpad [(cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize) % cpu.CacheLinePadSize]byte}
}从上面的mheap结构体的定义，可以发现，mheap是顶级内存分配，通过管理各种类型的mcentral。实际上，Go语言就是通过mheap来管理arean堆区的所有内存的。
5. 申请size为n的内存，分配步骤如下：
为了提升内存分配的效率，当程序执行时可以从优先mcache,mcentral、mheap这三个地方获取内存。
1、对于小于小于等于32kb的内存，优先在mcache (无锁，效率最高) 获取,如果mcache 中没有空闲则从mcentral中获取（有锁，效率次之），mcentral中没有空闲的span,这时候从mheap 中获取（全局锁，效率最低），如果mheap 中也没有可用的span则向操作系统申请（发生系统调用，效率最差）。
2、对于大于32kb 则去mheap 获取，如果没有空闲span 则从系统申请。
6. 总结
内存分配是Go语言的基础，涉及的内容比较多，关联操作系统、用户程序、GC垃圾回收等部分，是一个大难点。目前这篇文章可能存在一些问题，如果可以发现，请指正交流