golang 内存分配

G M P

structG

goroutine的栈采取了动态扩容方式，初始时仅为2KB，随着任务执行按需增长，最大可达1GB（64位机器最大是1G，32位机器最大是256M），且完全由golang自己的调度器 Go Scheduler 来调度。G并不直接绑定OS线程运行，而是由Goroutine Scheduler中的 P - Logical Processor （逻辑处理器）来作为两者的『中介』 G: 表示Goroutine，每个Goroutine对应一个G结构体，G存储Goroutine的运行堆栈、状态以及任务函数，可重用。G并非执行体，每个G需要绑定到P才能被调度执行。

structP

P: Processor，表示逻辑处理器，对G来说，P相当于CPU核，G只有绑定到P(在P的local runq中)才能被调度。对M来说，P提供了相关的执行环境(Context)，如内存分配状态(mcache)，任务队列(G)等，P的数量决定了系统内最大可并行的G的数量（前提：物理CPU核数 >= P的数量），P的数量由用户设置的GOMAXPROCS决定，但是不论GOMAXPROCS设置为多大，P的数量最大为256。

structM

M: Machine，OS线程抽象，代表着真正执行计算的资源，在绑定有效的P后，进入schedule循环；而schedule循环的机制大致是从Global队列、P的Local队列以及wait队列中获取G，切换到G的执行栈上并执行G的函数，调用goexit做清理工作并回到M，如此反复。M并不保留G状态，这是G可以跨M调度的基础，M的数量是不定的，由Go Runtime调整，为了防止创建过多OS线程导致系统调度不过来，目前默认最大限制为10000个。

sysmon

sysmon每20us~10ms启动一次，按照《Go语言学习笔记》中的总结，sysmon主要完成如下工作：

释放闲置超过5分钟的span物理内存；
如果超过2分钟没有垃圾回收，强制执行；
将长时间未处理的netpoll结果添加到任务队列；
向长时间运行的G任务发出抢占调度；
收回因syscall长时间阻塞的P；

goroutine调度

Go runtime会在下面的goroutine被阻塞的情况下运行另外一个goroutine

network input：网络IO阻塞（异步IO不会阻塞，只会阻塞同步IO）
channel operations：channel阻塞

用户态阻塞/唤醒：这两个阻塞G的状态由_Gruning变为_Gwaitting。M会跳过该G尝试获取并执行下一个G，如果此时没有runnable的G供M运行，那么M将解绑P，并进入sleep状态

blocking syscall (for example opening a file)：系统调用阻塞
primitives in the sync package：sync包里的原语操作

系统调用阻塞：当G被阻塞在某个系统调用上时，此时G会阻塞在_Gsyscall状态，M也处于 block on syscall 状态，此时的M可被抢占调度：执行该G的M会与P解绑，而P则尝试与其它idle的M绑定，继续执行其它G。如果没有其它idle的M，但P的Local队列中仍然有G需要执行，则创建一个新的M；当系统调用完成后，G会重新尝试获取一个idle的P进入它的Local队列恢复执行，如果没有idle的P，G会被标记为runnable加入到Global队列

抢占调度

这个抢占式调度的原理则是在每个函数或方法的入口，加上一段额外的代码，让runtime有机会检查是否需要执行抢占调度。这种解决方案只能说局部解决了“饿死”问题，对于没有函数调用，纯算法循环计算的G，scheduler依然无法抢占。由sysmon完成。

调试

https://golang.org/pkg/runtime/

$ go build test.go $ GODEBUG schedtrace=1000 ./test SCHED 0ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=6 spinningthreads=0 idlethreads=4 runqueue=0 [0 0 0 0]

gomaxprocs: P的数量； idleprocs: 处于idle状态的P的数量；通过gomaxprocs和idleprocs的差值，我们就可知道执行go代码的P的数量； threads: os threads的数量，包含scheduler使用的m数量，加上runtime自用的类似sysmon这样的thread的数量； spinningthreads: 处于自旋状态的os thread数量； idlethread: 处于idle状态的os thread的数量； runqueue=1： go scheduler全局队列中G的数量； [3 4 0 10]: 分别为4个P的local queue中的G的数量。

如果需要查看PMG的详情可以用schedtrace=1000,scheddetail=1

goroutine的状态变迁

内存分配

mspan

分配内存的最小单元，以链表形式存在有67种大小的mspan，8B,16B,32B...32KB（共66种，使用1~66表示），超过32KB的用0表示的大对象。

struct MSpan
{
	MSpan	*next;		// in a span linked list
	MSpan	*prev;		// in a span linked list
	PageID	start;		// starting page number
	uintptr	npages;		// number of pages in span
	MLink	*freelist;	// list of free objects
	uint32	ref;		// number of allocated objects in this span
	int32	sizeclass;	// size class
	uintptr	elemsize;	// computed from sizeclass or from npages
	uint32	state;		// MSpanInUse etc
	int64   unusedsince;	// First time spotted by GC in MSpanFree state
	uintptr npreleased;	// number of pages released to the OS
	byte	*limit;		// end of data in span
	MTypes	types;		// types of allocated objects in this span
};

每个page 大小8K（上图应该是8K）
start表示起始page
npages表示总的page数
sizeclass表示元素大小类型，如：3表示32byte，其中0表示大对象

mcache

每个 Gorontine 的运行都是绑定到一个 P 上面，mcache 是每个 P 的 cache。本地内存，线程独享

type mcache struct {
 	// 小对象分配器，小于 16 byte 的小对象都会通过 tiny 来分配。
    tiny             uintptr
    tinyoffset       uintptr
    local_tinyallocs uintptr // number of tiny allocs not counted in other stats

    // The rest is not accessed on every malloc.
    alloc [_NumSizeClasses]*mspan // spans to allocate from
}

alloc: 67种类型的mspan的指针，_NumSizeClasses=67。按是否需要标记又分为两种，如果对象包含了指针, 分配对象时会使用scan的span,如果对象不包含指针, 分配对象时会使用noscan的span

mcentrel

全局cache，mcache 不够用的时候向 mcentral 申请

type mcentral struct {
    lock      mutex
    sizeclass int32
    nonempty  mSpanList // list of spans with a free object, ie a nonempty free list
    empty     mSpanList // list of spans with no free objects (or cached in an mcache)
}

sizeclass:有67个mcenteral实例，对应申请不同类型的mspan
nonempty:当前 mcentral 中可用的 mspan list
empty:已经被使用的的mspan list

mheap

当 mcentral 也不够用的时候，通过 mheap 向操作系统申请

type mheap struct {
	lock      mutex
	allspans []*mspan // all spans out there
	// This is backed by a reserved region of the address space so
    // it can grow without moving. The memory up to len(spans) is
    // mapped. cap(spans) indicates the total reserved memory.
    spans []*mspan
	// central free lists for small size classes.
    // the padding makes sure that the MCentrals are
    // spaced CacheLineSize bytes apart, so that each MCentral.lock
    // gets its own cache line.
    central [_NumSizeClasses]struct {
        mcentral mcentral
        pad      [sys.CacheLineSize]byte
    }

	arena_start    uintptr
    arena_used     uintptr // always mHeap_Map{Bits,Spans} before updating
    arena_end      uintptr
}

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
central [_NumSizeClasses]:mcentral实例，全局67个
arean：是mheap的核心，启动时分配的虚拟连续内存地址，包括：spans(512M) bitmap(16G) arean(512G)。通常64位的系统最大堆内存是512G

bitmap：标识对应的内存地址是否被使用，2位标识一个内存地址，一个标识shoud scan，一个标识is pointer。bitmap大小怎么算出来的？每个地址8byte，共512G/8个地址，bitmap中的每个byte能标识4个地址，因此大小为：512G/8/4=16G
spans []mspan: 记录 arena 区域页号（page number）和 mspan 的映射关系。一页8K,每个指针8byte，512GB/8KB8B=512MB

内存回收

标记清除

三色标记法

三色标记法是改进的标记清除

1.8以前两次stw

1.8以后一次stw

参考资料

https://studygolang.com/articles/11030 https://hk.saowen.com/a/0cd39976e6a0ef25d517a0a1fbeb6f9501c0183c6099d5305e9e990bb3eca3f9 https://segmentfault.com/a/1190000015464889 go 工具 https://software.intel.com/en-us/blogs/2014/05/10/debugging-performance-issues-in-go-programs 垃圾回收 https://blog.csdn.net/u010412301/article/details/79810963

转载于:https://my.oschina.net/u/2336761/blog/2221970