Golang的特性五（堆内存和栈内存）----内存管理

一. 内存管理概述

内存管理是编程语言设计中至关重要的一环，它直接影响着程序的性能、稳定性和开发效率。Go 语言作为一门现代化的编程语言，在内存管理方面做了许多精妙的设计，使其在高效、安全和易用性之间取得了良好的平衡。
内存管理一般包含三个不同的组件，分别是用户程序（Mutator）、分配器（Allocator）和收集器（Collector），当用户程序申请内存时，它会通过内存分配器申请新内存，而分配器会负责从堆中初始化相应的内存区域。

在了解内管管理之前，我们先了解下什么是堆内存？什么是栈内存？什么是堆？什么是栈？

二. 堆和栈：程序运行时的内存空间
在计算机科学中，堆（Heap） 和 栈（Stack） 是程序运行时用于存储数据的两种重要内存区域。它们有着不同的特性和用途，理解它们的区别对于编写高效、可靠的程序至关重要。

1、 栈 (Stack)
栈是一种遵循 后进先出 (LIFO) 原则的数据结构，类似于一摞盘子，最后放上去的盘子会被最先拿走。
2、堆 (Heap)
堆是一种用于动态内存分配的内存区域，程序可以在运行时从堆中申请和释放内存。

堆和栈的比较

三. 内存分区
在 Go 语言中，程序运行时的内存空间主要分为以下几个部分：

• 栈内存 (Stack) : 用于存储局部变量、函数参数、函数调用的返回地址等。每个 goroutine 都有自己的栈空间，栈内存的分配和释放由编译器自动完成，效率极高。
• 堆内存 (Heap): 用于存储动态分配的数据，例如使用 new 或 make 创建的对象。堆内存是所有 goroutine 共享的，由垃圾回收器负责管理。
• 全局区: 用于存储全局变量、常量等。
• 代码区: 用于存储程序的二进制代码。

四. 栈内存详解
栈内存的特点

• 高效: 栈内存的分配和释放由编译器自动完成，只需要移动栈顶指针即可，效率极高。
• 线程私有: 每个 goroutine 都有自己的栈空间，栈内存是线程私有的，不需要加锁保护。
• 空间有限: 栈内存的空间有限，通常只有几 MB 大小。

栈内存的分配
当一个函数被调用时，编译器会为该函数的局部变量和参数在栈上分配内存空间。函数返回时，这些内存空间会被自动释放。

栈内存的优缺点

优点

• 分配和释放效率高。
• 无需手动管理，由编译器自动完成。
• 线程私有，无需加锁保护。

缺点

• 空间有限，不适合存储大量数据。
• 生命周期与函数调用绑定，不够灵活。

五. 堆内存详解

堆内存的特点

• 动态分配: 堆内存的空间是动态分配的，可以根据需要申请和释放。
• 空间较大: 堆内存的空间通常比栈内存大得多，可以存储大量数据。
• 线程共享: 堆内存是所有 goroutine 共享的，需要加锁保护。

堆内存的分配

• new: 用于分配值类型的内存，例如 int, float64, struct 等。
• make: 用于分配引用类型的内存，例如 slice, map, channel 等。

堆内存的释放
堆内存的释放由垃圾回收器负责管理。垃圾回收器会定期扫描堆内存，回收不再使用的对象。

堆内存的优缺点

优点:

• 空间较大，可以存储大量数据。
• 生命周期灵活，不受函数调用限制。

缺点:

• 分配和释放效率比栈内存低。
• 需要手动管理，容易造成内存泄漏。
• 线程共享，需要加锁保护。

六. 逃逸分析

Go 语言的编译器会进行逃逸分析，确定变量是分配在栈上还是堆上。如果一个变量在函数返回后仍然被引用，则它会被分配到堆上，否则会被分配到栈上。

逃逸分析可以帮助编译器优化代码，减少堆内存的分配，提高程序性能。

七. Go 内存管理组件

Go 语言的内存分配器包含内存管理单元、线程缓存、中心缓存和页堆几个重要组件：

• runtime.mspan
• runtime.mcache
• runtime.mcentral
• runtime.mheap

八. 内存管理思想

Go 内存管理核心思想可以分为以下几点：

• 每次从操作系统申请一大块儿的内存，由 Go 对这块儿内存做分配，减少系统调用。
• 内存分配借鉴了 Google 的 TCMalloc（Thead-Caching Malloc）算法。

TCMalloc 是由 Google 开发的一种内存分配器，主要用于优化多线程环境下的内存分配和释放性能。TCMalloc 是Thread-Caching Malloc 的缩写，即线程缓存分配器。

TCMalloc 比 glibc 中的 malloc 还要快很多。Go 的内存分配器就借鉴了 TCMalloc 的设计实现高速的内存分配，它的核心思想是使用多级缓存并将对象根据大小分类，按照类别实施不同的分配策略。

TCMalloc 中将内存分成三类，即小对象，小于256K的，中型对象，介于256K到1M的，大于1M的为大对象。

TCMalloc 不仅会区别对待大小不同的对象，还会将内存分成不同的级别分别管理，分为线程缓存（Thread Cache）、中心缓存（Central Cache）和页堆（Page Heap）。

TCMalloc 的核心思想是：
（1）内存切分，减少碎片。

• 采用了 span 机制来减少内存碎片。多个连续的内存页（8KB）组成 span，每个 span 又划分成大小固定的多个 slot。
• slot size 有 67 种，每个 size 有两种类型，scan 和 noscan，表示分配的对象是否包含指针。

（2）分级管理，无锁并降低锁的粒度。

• 多层次的分配 Cache，每个 P 上有一个 mcache，mcache 会为每个 size 最多缓存一个 span，用于无锁分配。
• 全局每个 size 的 span 都有一个 mcentral，锁的粒度相对于全局的 mheap 小很多。每个 mcentral 可以看成是每个 size 的 span 的一个全局后备 cache。获取不到再上升到全局的 mheap。mheap 获取不到再向系统申请。从无锁到全局 1/(67*2)力度的锁，再到全局锁，再到系统调用。

（3）回收复用

• 内存由 GC 进行释放。回收对象内存时，并没有将其真正释放掉，只是放回预先分配的大块内存中，以便复用。
• 只有内存闲置过多的时候，sysmon 协程会定时把 mheap 空余的内存归还给操作系统，降低整体开销。

九. 其他内存分配方法

除了上面讲的TCMalloc内存方法还有其他两种内存分配方法，一种是线性分配器，另一种是空闲链表分配器。
线性分配器
线性分配器（Bump Allocator）是一种高效的内存分配方法，但是有较大的局限性。当我们使用线性分配器时，只需要在内存中维护一个指向内存特定位置的指针，如果用户程序向分配器申请内存，分配器只需要检查剩余的空闲内存、返回分配的内存区域并修改指针在内存中的位置，即移动下图中的指针：

空闲链表分配器
空闲链表分配器（Free-List Allocator）可以重用已经被释放的内存，它在内部会维护一个类似链表的数据结构。当用户程序申请内存时，空闲链表分配器会依次遍历空闲的内存块，找到足够大的内存，然后申请新的资源并修改链表：