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
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
// 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
alloc [numSpanClasses]*mspan // spans to allocate from, indexed by spanClass
stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist
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
type mSpanList *mspan
last *mspan type mspan *mspan
prev *mspan
list *mSpanList
npages uintptr **
baseMask uint16
allocCount uint16
spanclass spanClass
state mSpanStateBox
needzero uint8
divShift uint8
divShift2 uint8
elemsize uintptr
limit uintptr
speciallock mutex
specials *special }
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。
gcMarkBits03. 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 []spanSet full []spanSet }
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。
spine unsafe.Pointer // *[N]*spanSetBlock, accessed atomically
spineLen uintptr // Spine array length, accessed atomically
spineCap uintptr // Spine array cap, accessed under lock
对 mcentral 的初始化如下
func (c *=&c.[&c.[&c.full[&c.full[
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；
mheapGo 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 sweepgen uint32 sweepdone uint32 sweepers uint32 *mspan pagesInUse uint64 pagesSwept uint64 pagesSweptBasis uint64 sweepHeapLiveBasis uint64 sweepPagesPerByte float64 << arenaL1Bits]*[ << arenaL2Bits]**- .Sizeof(mcentral{})%cpu.CacheLinePadSize]cachealloc fixalloc specialfinalizeralloc fixalloc specialprofilealloc fixalloc speciallock mutex arenaHintAlloc fixalloc *specialfinalizer }
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OSreclaimIndex 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 linearAllocallArenas []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。
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.bitmapheapArena.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.spansheapArena.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。
参考资料
