栈

栈区的内存一般是由编译器自动进行分配和释放，其中存储着函数的入参及局部变量，这些参数会随着函数的创建而创建，函数的销毁而销毁。

堆

堆区的内存一般有编译器和工程师自己共同进行管理分配，交给runtimeGc来释放。堆上分配必须找到一块足够大的内存来存放新的变量数据。后续释放时，垃圾回收器扫描堆空间寻找不再被使用的对象。

内存基础

内存： cpu与硬盘速度不匹配，引入内存作为中间缓冲。

cache: cpu与内存速度也不匹配，引入chache作为中间缓冲，并逐渐发展为3级cache。L1、L2、L3。其中l1速度最快

虚拟内存： 虚拟内存是当代操作系统必备的一项重要功能了，它向进程屏蔽了底层了RAM和磁盘，并向进程提供了远超物理内存大小的内存空间。

进程访问数据，当Cache没有命中的时候，访问虚拟内存获取数据，当前要访问的虚拟内存地址，是否已经加载到了物理内存，如果已经在物理内存，则取物理内存数据，如果没有对应的物理内存，则从磁盘加载数据到物理内存，并把物理内存地址和虚拟内存地址更新到页表。

在没有虚拟内存的时代，物理内存对所有进程是共享的，多进程同时访问同一个物理内存存在并发访问问题。引入虚拟内存后，每个进程都要各自的虚拟内存，内存的并发访问问题的粒度从多进程级别，可以降低到多线程级别。

堆和栈： 虚拟内存中的栈和堆，也就是进程对内存的管理。 栈和堆相比有这么几个好处：

• 栈的内存管理简单，分配比堆上快。
• 栈的内存不需要回收，而堆需要，无论是主动free，还是被动的垃圾回收，这都需要花费额外的CPU。

TCMalloc

TCMalloc是go内存分配的前辈，Go的内存管理是借鉴了TCMalloc，随着Go的迭代，Go的内存管理与TCMalloc不一致地方在不断扩大，但其主要思想、原理和概念都是和TCMalloc一致的。

引入虚拟内存后，让内存的并发访问问题的粒度从多进程级别，降低到多线程级别。但是同一个进程中多个线程申请内存时需要加锁，如果不加锁就存在同一块内存被2个线程同时访问的问题。

TCMalloc的做法是什么呢？为每个线程预分配一块缓存，线程申请小内存时，可以从缓存分配内存，这样有2个好处：

1. 以后线程在再分配内存就是在用户态，不需要系统调用即可。
2. 线程利用自己的内存缓存，不用加锁了。

TCMalloc的几个重要概念

Page：操作系统对内存管理以页为单位，TCMalloc也是这样，只不过TCMalloc里的Page大小与操作系统里的大小并不一定相等，x64下Page大小是8KB。

Span：一组连续的Page被称为Span，比如可以有2个页大小的Span，也可以有16页大小的Span，Span比Page高一个层级，是为了方便管理一定大小的内存区域，Span是TCMalloc中内存管理的基本单位。

ThreadCache：每个线程各自的Cache。由于每个线程有自己的ThreadCache，所以ThreadCache访问是无锁的。

CentralCache：是所有线程共享的缓存，也是保存的空闲内存块链表，链表的数量与ThreadCache中链表数量相同，当ThreadCache内存块不足时，可以从CentralCache取，当ThreadCache内存块多时，可以放回CentralCache。由于CentralCache是共享的，所以它的访问是要加锁的。

PageHeap：PageHeap是堆内存的抽象，当CentralCache没有内存的时，会从PageHeap取，把1个Span拆成若干内存块，添加到对应大小的链表中，当CentralCache内存多的时候，会放回PageHeap。

TCMalloc中有小、中、大对象概念，Go内存管理中也有类似的概念，我们瞄一眼TCMalloc的定义：

• 小对象大小：0~256KB
• 中对象大小：257~1MB
• 大对象大小：>1MB

小对象的分配流程：ThreadCache -> CentralCache -> HeapPage，大部分时候，ThreadCache缓存都是足够的，不需要去访问CentralCache和HeapPage，无锁分配加无系统调用，分配效率是非常高的。

中对象分配流程：直接在PageHeap中选择适当的大小即可，128 Page的Span所保存的最大内存就是1MB。

大对象分配流程：从large span set选择合适数量的页面组成span，用来存储数据。

Go内存管理

通过TCMalloc的了解，可以看出他的精髓是内存的分层。go借鉴了他。

go内存的概念

Page：与TCMalloc中的Page相同，x64下1个Page的大小是8KB。

pan：与TCMalloc中的Span相同，Span是内存管理的基本单位，代码中为mspan，一组连续的Page组成1个Span。

mcache：mcache与TCMalloc中的ThreadCache类似，mcache保存的是各种大小的Span，并按Span class分类，小对象直接从mcache分配内存，它起到了缓存的作用，并且可以无锁访问。

但mcache与ThreadCache也有不同点，TCMalloc中是每个线程1个ThreadCache，Go中是每个P拥有1个mcache，因为在Go程序中，当前最多有GOMAXPROCS个线程在用户态运行，所以最多需要GOMAXPROCS个mcache就可以保证各线程对mcache的无锁访问，线程的运行又是与P绑定的，把mcache交给P刚刚好。

mcentral：mcentral与TCMalloc中的CentralCache类似，是所有线程共享的缓存，需要加锁访问，它按Span class对Span分类，串联成链表，当mcache的某个级别Span的内存被分配光时，它会向mcentral申请1个当前级别的Span。

mheap：mheap与TCMalloc中的PageHeap类似，它是堆内存的抽象，把从OS申请出的内存页组织成Span，并保存起来。当mcentral的Span不够用时会向mheap申请，mheap的Span不够用时会向OS申请。

对象的分级

为了更好的应对不同大小的对象的分配，有了class的概念，一共67中class，每种class所拥有的page数量是不同的。size class 0实际并未使用到。

object size：代码里简称size，指申请内存的对象大小。

size class：代码里简称class，它是size的级别，相当于把size归类到一定大小的区间段，比如size[1,8]属于size class 1，size(8,16]属于size class 2。

span class：指span的级别，但span class的大小与span的大小并没有正比关系。span class主要用来和size class做对应，1个size class对应2个span class，2个span class的span大小相同，只是功能不同，1个用来存放包含指针的对象，一个用来存放不包含指针的对象，不包含指针对象的Span就无需GC扫描了。

num of page：代码里简称npage，代表Page的数量，其实就是Span包含的页数，用来分配内存。

go内存分配

Go中的内存分类并不像TCMalloc那样分成小、中、大对象，但是它的小对象里又细分了一个Tiny对象，Tiny对象指大小在1Byte到16Byte之间并且不包含指针的对象。小对象和大对象只用大小划定，无其他区分。

小对象是在mcache中分配的，而大对象是直接从mheap分配的。

小对象分配

寻找span的流程如下：

1. 计算对象所需内存大小size
2. 根据size到size class映射，计算出所需的size class
3. 根据size class和对象是否包含指针计算出span class
4. 获取该span class指向的span。

对象size-> size class -> span class -> span class -> span -> 从span分配地址。

大对象分配

大对象的分配比小对象省事多了，99%的流程与mcentral向mheap申请内存的相同，所以不重复介绍了，不同的一点在于mheap会记录一点大对象的统计信息。