Go 内存分配器的设计与实现( 六 ) _Go

从有空闲对象的 runtime.mspan 链表中查找可以使用的内存管理单元；
从没有空闲对象的 runtime.mspan 链表中查找可以使用的内存管理单元；
调用 runtime.mcentral.grow 从堆中申请新的内存管理单元；
更新内存管理单元的 allocCache 等字段帮助快速分配内存；

首先我们会在中心缓存的非空链表中查找可用的 runtime.mspan，根据 sweepgen 字段分别进行不同的处理：

当内存单元等待回收时，将其插入 empty 链表、调用 runtime.mspan.sweep 清理该单元并返回；
当内存单元正在被后台回收时，跳过该内存单元；
当内存单元已经被回收时，将内存单元插入 empty 链表并返回；

func (c *mcentral) cacheSpan() *mspan {	sg := mheap_.sweepgenretry:	var s *mspan	for s = c.nonempty.first; s != nil; s = s.next {if s.sweepgen == sg-2 && atomic.Cas(&s.sweepgen, sg-2, sg-1) { // 等待回收c.nonempty.remove(s)c.empty.insertBack(s)s.sweep(true)goto havespan}if s.sweepgen == sg-1 { // 正在回收continue}c.nonempty.remove(s) // 已经回收c.empty.insertBack(s)goto havespan	}	...}

如果中心缓存没有在 nonempty 中找到可用的内存管理单元，就会继续遍历其持有的 empty链表，我们在这里的处理与包含空闲对象的链表几乎完全相同。当找到需要回收的内存单元时，我们也会触发 runtime.mspan.sweep 进行清理，如果清理后的内存单元仍然不包含空闲对象，就会重新执行相应的代码：

func (c *mcentral) cacheSpan() *mspan {	...	for s = c.empty.first; s != nil; s = s.next {if s.sweepgen == sg-2 && atomic.Cas(&s.sweepgen, sg-2, sg-1) {c.empty.remove(s)s.sweep(true)freeIndex := s.nextFreeIndex()if freeIndex != s.nelems {s.freeindex = freeIndexgoto havespan}goto retry // 不包含空闲对象}if s.sweepgen == sg-1 {continue}break	}	...}

如果 runtime.mcentral 在两个链表中都没有找到可用的内存单元，它会调用 runtime.mcentral.grow 触发扩容操作从堆中申请新的内存：

func (c *mcentral) cacheSpan() *mspan {	...	s = c.grow()	if s == nil {return nil	}	c.empty.insertBack(s)havespan:	n := int(s.nelems) - int(s.allocCount)	atomic.Xadd64(&c.nmalloc, int64(n))	if gcBlackenEnabled != 0 {gcController.revise()	}	freeByteBase := s.freeindex &^ (64 - 1)	whichByte := freeByteBase / 8	s.refillAllocCache(whichByte)	s.allocCache >>= s.freeindex % 64	return s}

无论通过哪种方法获取到了内存单元，该方法的最后都会对内存单元的 allocBits 和 allocCache 等字段进行更新，让运行时在分配内存时能够快速找到空闲的对象。
扩容中心缓存的扩容方法 runtime.mcentral.grow 会根据预先计算的 class_to_allocnpages 和class_to_size 获取待分配的页数以及跨度类并调用 runtime.mheap.alloc 获取新的 runtime.mspan 结构：

func (c *mcentral) grow() *mspan {	npages := uintptr(class_to_allocnpages[c.spanclass.sizeclass()])	size := uintptr(class_to_size[c.spanclass.sizeclass()])	s := mheap_.alloc(npages, c.spanclass, true)	if s == nil {return nil	}	n := (npages << _PageShift) >> s.divShift * uintptr(s.divMul) >> s.divShift2	s.limit = s.base() + size*n	heapBitsForAddr(s.base()).initSpan(s)	return s}

获取了 runtime.mspan 之后，我们会在上述方法中初始化 limit 字段并清除该结构在堆上对应的位图。
页堆runtime.mheap 是内存分配的核心结构体，Go 语言程序只会存在一个全局的结构，而堆上初始化的所有对象都由该结构体统一管理，该结构体中包含两组非常重要的字段，其中一个是全局的中心缓存列表 central，另一个是管理堆区内存区域的 arenas 以及相关字段。
页堆中包含一个长度为 134 的 runtime.mcentral 数组，其中 67 个为跨度类需要 scan 的中心缓存，另外的 67 个是 noscan 的中心缓存：

文章插图

mheap-and-mcentrals
图 7-17 页堆与中心缓存列表
我们在设计原理一节中已经介绍过 Go 语言所有的内存空间都由如下所示的二维矩阵 runtime.heapArena 管理的，这个二维矩阵管理的内存可以是不连续的：

文章插图

mheap-and-memories
图 7-18 页堆管理的内存区域
在除了 Windows 以外的 64 位操作系统中，每一个 runtime.heapArena 都会管理 64MB 的内存空间，如下所示的表格展示了不同平台上 Go 语言程序管理的堆区大小以及 runtime.heapArena 占用的内存空间：
平台地址位数Arena 大小一维大小二维大小*/64-bit4864MB14M (32MB)windows/64-bit484MB641M (8MB)*/32-bit324MB11024 (4KB)*/mips(le)314MB1512 (2KB)