内存分配器

实现了高并发环境下高速、低延迟内存分配，同时降低锁竞争和内存碎片

1 设计原理

分级分配

将内存划分为多级缓存，根据对象大小进行分类处理

1. 对象分级：微对象（<16B）、小对象(16B~32KB)、大对象(>32KB)三类
2. 缓存分级：内存管理机构分为线程缓存(mcache)、中心缓存(mcentral)、页堆(mheap)。
3. 分配策略：分配时，优先从更靠近线程、无锁的本地缓存（mcache，每个P都有）分配，没有时，逐级向上申请。

虚拟内存布局

Go 程序启动时，会向系统申请一大段连续的虚拟内存地址空间（mheap），整个堆划分为一个个 arena 区域，每个 64MB。

地址空间

内存分配器以 page 为单位与 OS 交互，大小为OS页的整数倍（如8KB）以便与操作系统虚拟内存对齐。Go 运行时通过 mheap 结构管理着所有这些虚拟内存页的分配和释放。

• 栈区：每个goroutine独立栈，初始2KB，无需GC
• 堆区：运行时管理，包含所有动态分配对象，通过GC回收
• 其他区域：代码段、数据段

2 内存管理组件

Go 内存分配器的核心是 mcache → mcentral → mheap 三级缓存结构，逐级降低锁粒度。

2.1 内存管理单元：mspan

内存管理的基本单元，代表一段连续的物理页，由 startAddr（起始地址）和 npages（页数）标识。

核心功能

• spanclass 按 size class 划分为67种，每个 mspan 仅管理同一种 size class 的对象。
• 通过 allocBits 位图，标记哪些内存块已被分配，快速定位空闲对象槽，实现快速分配
• gcmarkBits 用于标记内存的回收情况

mspan 不存储用户数据，仅维护元数据（地址、页数、位图）

2.2 线程缓存：mcache

• 每个 P 本地私有，无锁访问
• 持有 68*2 个 mspan，只有当用户申请内存时
• 工作流程：
  • 分配小对象，直接从 mcache 的对应链表中取出空闲槽，速度快
  • 若当前 size class 的 mspan 耗尽，向 mcentral 申请补充（加锁）
  • 释放对象时，优先归还到 mcache，以便快速复用
• 核心价值：大部分内存分配在本地无锁完成，降低竞争

2.3 中心缓存：mcentral

• 全局共享的缓存，按照size class 组织，每个size class 对应一把锁（细粒度）
• 68 个 mcentral 示例，每个实例管理一个 size class 的 mspan 链表，分别存储包含空闲对象和不包含空闲对象的内存管理单元。
• 工作流程
  • 当 mcache 需要补充 mspan 时，向对应 size class 的 mcentral 申请
  • mcentral 没有时，向 mheap 申请新内存页（全局锁）
• 关键设计：锁细化到 size class，避免所有分配竞争同一把锁

2.4 页堆：mheap

• 全局唯一的堆内存管理者，与 OS 交互
• 核心功能
  • 存储所有 spanclass 对应的 mcentral
  • 向 mcentral 提供新的内存页
  • 周期性将空闲内存归还 OS
• 大对象分配或缓存耗尽时才访问 mheap，加全局锁

3 内存分配

runtime.mallocgc

微对象 (Micro Object, < 16B)

对于极小且不包含指针的对象，Go 使用 tiny 分配器进行优化。

每个 mcache 都有一个 16 字节的 tiny 内存块。新来的微对象会尝试塞进这个 tiny 块的空闲部分。如果空间不足，才会从 mcache 中申请一个新的 16 字节 mspan 来替换。这极大地减少了内存碎片和分配次数。

小对象 (Small Object, 16B - 32KB)

小对象是 Go 程序中最常见的分配类型。其分配路径如下：

1. 尝试 mcache: 根据对象大小找到对应的 spanClass，直接从 P 绑定的 mcache 的 mspan 中分配，无锁。
2. 向 mcentral 请求: 若 mcache 中对应的 mspan 已无空闲块，则向全局的 mcentral 加锁申请一个新的 mspan。
3. 向 mheap 请求: 若 mcentral 也无可用的 mspan，则会向 mheap 申请一组新的内存页来生成 mspan。
4. 向 OS 请求: 若 mheap 内存不足，最终会向操作系统申请新的内存。

大对象 (Large Object, > 32KB)

大对象的分配路径最直接：

1. 直接向 mheap 分配: 不会经过 mcache 和 mcentral。
2. 按页计算: mheap 根据对象大小计算出需要多少页，直接分配一个或多个连续的页，构成一个 mspan 返回。