Go 2025-10-13 · 15 min 阅读

Go内存模型与分配机制

在操作系统中，存在寄存器、高速缓存、内存和磁盘，越接近cpu存储的容量越小，其对应的价格就越高昂。页表、分页管理等机制来减少内存碎片。

Golang中的内存模型，以空间换时间，一次缓存，多次复用。堆mheap正是基于该思想，产生的数据结构。依次细化粒度，建立了 mcentral、mcache 的模型，下面对三者作个梳理：

mheap：全局的内存起源，访问要加全局锁；
mcentral：每种对象大小规格（全局共划分为68种）对应的缓存，锁的粒度也仅限于同一种规格以内；
mcache：每个P（正是GMP中的P）持有一份的内存缓存，访问时无锁，多级规格，提高利用率；

内存单元`mspan`

page和mspan的2个概念，page：最小的存储单元，默认大小为8KB，mspan大小为page的整数倍，且从8B到80KB 被划分为67种不同的规格，对应源代码在runtime/sizeclasses.go，mspan具有如下特点：

根据规格大小，产生了等级的制度，mspan是Golang内存管理的最小单元，runtime/mheap.go；
消除了外部碎片，但不可避免会有内部碎片；
宏观上能提高整体空间利用率，同等级的mspan会从属同一个mcentral，最终会被组织成链表，因此带有前后指针（prev、next）；
正是因为有了规格等级的概念，才支持mcentral实现细锁化，全局总览，留个印象；
mspan会基于bitMap辅助快速找到空闲内存块（块大小为对应等级下的object大小），此时需要使用到Ctz64算法.

线程缓存`mcache`

mcache是每个P独有的缓存，因此交互无锁；
mcache将每种spanClass等级的mspan各缓存了一个，总数为2（nocan维度） * 68（大小维度）= 136;
mcache中还有一个为对象分配器tiny allocator，用于处理小于16B对象的内存分配；

中心缓存`mcentral`

要点:

每个mcentral对应一种spanClass；
每个mcentral下聚合了该spanClass下的mspan;
mcentral下的mspan分为两个链表，分别为有空间mspan链表partial和满空间mspan链表full`;
每个mcentral一把锁;

全局堆缓存`mheap`

对于Golang上层应用而言，堆是操作系统虚拟内存的抽象，以页（8KB）为单位，作为最小内存存储单元；
负责将连续页组装成mspan，全局内存基于bitMap标识其使用情况，每个bit对应一页，为0则自由，为1则已被mspan组装；
通过heapArena聚合页，记录了页到mspan的映射信息，建立空闲页基数树索引radix tree index，辅助快速寻找空闲页；
是mcentral的持有者，持有所有spanClass下的mcentral，作为自身的缓存，内存不够时，向操作系统申请，申请单位为 heapArena（64M）；

对象分配流程

不论是以下哪种方式，最终都会殊途同归步入mallocgc方法中，例如：new(T)、&T{}、make(xxxx)，Golang中，依据object的大小，会将其分为下述三类：tiny微对象(0, 16B)、small小对象(16B，32KB)、large大对象(32KB，正无穷). 对于微对象的分配流程：

从P专属mcache的tiny分配器取内存（无锁）
根据所属的spanClass，从P专属mcache缓存的mspan中取内存（无锁）
根据所属的spanClass从对应的mcentral中取mspan填充到mcache，然后从mspan中取内存（spanClass粒度锁）；
根据所属的spanClass，从mheap的页分配器pageAlloc取得足够数量空闲页组装成mspan填充到mcache，然后从mspan中取内存（全局锁）；
mheap`向操作系统申请内存，更新页分配器的索引信息，然后重复（4）；

对于小对象的分配流程是跳过（1）步，执行上述流程的（2）-（5）步；对于大对象的分配流程是跳过（1）-（3）步，执行上述流程的（4）-（5）步.

Go垃圾回收原理

做Java的都对GC比较熟悉，在JVM中常见的GC算法有：标记整理（Mark-Sweep）、标记压缩（Mark-Compact）、半空间复制（类似于G1），通过引用计数寻找不可达对象，便于垃圾回收。

回收算法

Go V1.3之前是标记清除（mark and sweep）算法，步骤如下：

第一步，先暂停程序业务逻辑，找出不可达对象和可达对象。

第二步，开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记。

第三步，标记完了之后，然后开始清除未标记的对象。

第四步，停止暂停，让程序继续跑，然后循环重复这个过程，直到process程序声明周期结束。

标记-清除（mark and sweep）方法的缺点有： 1) stop the world, 让程序暂停，程序出现卡顿（重要问题）；2）标记需要扫描整个heap；3）清除数据会产生heap碎片；

Go V1.5引入的三色标记法，对象分为三种颜色标记：黑、灰、白，黑对象代表，对象自身存活，且其指向对象都已标记完成；灰对象代表，对象自身存活，但其指向对象还未标记完成；白对象代表，对象尙未被标记到，可能是垃圾对象。
- 第一步，就是只要是新创建的对象，默认的颜色标记都是”白色”；
- 第二步，每次GC回收开始，然后从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入”灰色”集合；
- 第三步，遍历灰色集合，将灰色对象应用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合；
- 第四步，重复第三步，直到灰色中无任何对象；

三色标记法的不足之处，如果三色标记法不被STW保护，下面2个条件满足，就会出现对象丢失的现象：

条件1，一个白色对象被黑色对象引用（白色对象被挂在黑色下）；
条件2，灰色对象与它之间的可达关系的白色对象遭到破坏（灰色同时丢了改白色）；

强弱三色不变式，破坏条件1和条件2，阻止引用对象丢失。

屏障机制，不足之处有，在结束时需要STW来重新扫描栈，大约需要10~100ms。插入屏障，对象被引用时触发的机制（栈空间对象不触发）：
- 具体操作，在A对象引用B对象的时候，B对象被标记为灰色。（将B挂在A下游，B必须被标记为灰色，无论B当前时什么颜色）。满色，强三色不变式（不存在黑色对象引用白色对象的情况了，因为白色对象会强制变成灰色）。
- 场景1: A添加下游对象(nil, B) // A之前没有下游，新添加一个下游对象B，B被标记为灰色。
- 场景2：A添加下游对象(C, B) // A将下游C更换为B，B被标记为灰色。

为避免栈上的对象被遗漏，在堆标记完成。准备回收白色对象前，会重新扫描一次栈（栈上所有对象都被标记为白色），另外，会加STW暂停保护栈，防止外界干扰。

删除屏障，对象被删除时触发的机制，具体操作：被删除的对象，如果自身为灰色或白色，那么被标记为灰色。

不足之处有，回收精度低，一个对象即使被删除了最后一个指向它的指针，它也依旧可以活过这一轮，在下一轮GC中被清理掉。

混合写屏障操作 Go V1.8引入的三色标记法 + 混合写屏障机制，具体操作如下，变形的弱三色不变式（结合了插入、删除写屏障两者的特点）：
- 1）GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色（之后不再进行第二次重复扫描，无需STW）；
- 2）GC期间，任何栈上创建的新对象，均为黑色；
- 3）被删除的对象标记为灰色，被添加的对象标记为灰色；

场景1，对象被一个堆对象删除引用，成为栈对象的下游。在混合模式下，栈上的对象也不需要STW了。