（十一）golang 内存分析

编写过C语言程序的肯定知道通过malloc()方法动态申请内存，其中内存分配器使用的是glibc提供的ptmalloc2。 除了glibc，业界比较出名的内存分配器有Google的tcmalloc和Facebook的jemalloc。二者在避免内存碎片和性能上均比glic有比较大的优势，在多线程环境中效果更明显。

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Golang中也实现了内存分配器，原理与tcmalloc类似，简单的说就是维护一块大的全局内存，每个线程(Golang中为P)维护一块小的私有内存，私有内存不足再从全局申请。另外，内存分配与GC（垃圾回收）关系密切，所以了解GC前有必要了解内存分配的原理。

为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。 以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：

预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。

arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；

spans区域存放span的指针，每个指针对应一个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)乘以指针大小8byte = 512M

bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。

span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

根据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：

上表中每列含义如下：

class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型

bytes/obj：该class代表对象的字节数

bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数乘以页大小

objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）waste

bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）上表可见最大的对象是32K大小，超过32K大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。

span是内存管理的基本单位,每个span用于管理特定的class对象, 跟据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：

以class 10为例，span和管理的内存如下图所示：

spanclass为10，参照class表可得出npages=1,nelems=56,elemsize为144。其中startAddr是在span初始化时就指定了某个页的地址。allocBits指向一个位图，每位代表一个块是否被分配，本例中有两个块已经被分配，其allocCount也为2。next和prev用于将多个span链接起来，这有利于管理多个span，接下来会进行说明。

有了管理内存的基本单位span，还要有个数据结构来管理span，这个数据结构叫mcentral，各线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断的加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。src/runtime/mcache.go:mcache定义了cache的数据结构

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。mcache和span的对应关系如下图所示：

mchache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态的从central中获取并缓存下来，跟据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。src/runtime/mcentral.go:mcentral定义了central数据结构：

lock: 线程间互斥锁，防止多线程读写冲突

spanclass : 每个mcentral管理着一组有相同class的span列表

nonempty: 指还有内存可用的span列表

empty: 指没有内存可用的span列表

nmalloc: 指累计分配的对象个数线程从central获取span步骤如下：

将span归还步骤如下：

从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。src/runtime/mheap.go:mheap定义了heap的数据结构：

lock： 互斥锁

spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系

bitmap：bitmap的起始地址

arena_start: arena区域首地址

arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址

central: 每种class对应的两个mcentral

从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。mheap内存管理示意图如下：

系统预分配的内存分为spans、bitmap、arean三个区域，通过mheap管理起来。接下来看内存分配过程。

针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：

(0, 16B) 且不包含指针的对象： Tiny分配

(0, 16B) 包含指针的对象：正常分配

[16B, 32KB] : 正常分配

(32KB, -) : 大对象分配其中Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。

以申请size为n的内存为例，分配步骤如下：

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。1、Golang程序启动时申请一大块内存并划分成spans、bitmap、arena区域

2、arena区域按页划分成一个个小块。

3、span管理一个或多个页。

4、mcentral管理多个span供线程申请使用

5、mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral。

3、搜索class文件

gojvm目录

1、搭建go环境

2、cmd命令行参数解析

3、搜索class文件

4、添加testOption 便于单元测试

5、解析classfile文件

6、运行时数据区

7、指令集

8、解释器

9、创建Class

10、类加载器

11、对象实例化new object

12、方法调用和返回

13 类初始化

14、jvm支持数组

15、jvm支持字符串-数组扩展

16、本地方法调用

17、ClassLoader原理

18、异常处理

19、 启动jvm

java jvm根据类路径(class path)来搜索类，加载到内存

可以通过 -Xbootclasspath 修改启动类路径

参数 -classpath /-cp

go语言不需要显式实现接口

defer 确保异常及时处理

1、Entry搜索类路径

2、DirEntry 搜索目录下类路径

3、ZipEntry 搜索zip或jar文件形式类路径

4、CompositeEntry 组合类路径

5、WildcardEntry 所有通配符下类路径

Entry 类路径查找

测试类

提交标签classpath

为什么要使用 Go 语言？Go 语言的优势在哪里

1. 保留但大幅度简化指针

Go语言保留着C中值和指针的区别，但是对于指针繁琐用法进行了大量的简化，引入引用的概念。所以在Go语言中，你几乎不用担心会因为直接操作内寸而引起各式各样的错误。

2. 多参数返回

还记得在C里面为了回馈多个参数，不得不开辟几段指针传到目标函数中让其操作么？在Go里面这是完全不必要的。而且多参数的支持让Go无需使用繁琐的exceptions体系，一个函数可以返回期待的返回值加上error，调用函数后立刻处理错误信息，清晰明了。

3. Array，slice，map等内置基本数据结构

如果你习惯了Python中简洁的list和dict操作，在Go语言中，你不会感到孤单。一切都是那么熟悉，而且更加高效。如果你是C++程序员，你会发现你又找到了STL的vector 和 map这对朋友。

4. Interface

Go语言最让人赞叹不易的特性，就是interface的设计。任何数据结构，只要实现了interface所定义的函数，自动就implement了这个interface，没有像Java那样冗长的class申明，提供了灵活太多的设计度和OO抽象度，让你的代码也非常干净。千万不要以为你习惯了Java那种一条一条加implements的方式，感觉还行，等接口的设计越来越复杂的时候，无数Bug正在后面等着你。

同时，正因为如此，Go语言的interface可以用来表示任何generic的东西，比如一个空的interface，可以是string可以是int，可以是任何数据类型，因为这些数据类型都不需要实现任何函数，自然就满足空interface的定义了。加上Go语言的type assertion，可以提供一般动态语言才有的duck typing特性， 而仍然能在compile中捕捉明显的错误。

5. OO

Go语言本质上不是面向对象语言，它还是过程化的。但是，在Go语言中， 你可以很轻易的做大部分你在别的OO语言中能做的事，用更简单清晰的逻辑。是的，在这里，不需要class，仍然可以继承，仍然可以多态，但是速度却快得多。因为本质上，OO在Go语言中，就是普通的struct操作。

6. Goroutine

这个几乎算是Go语言的招牌特性之一了，我也不想多提。如果你完全不了解Goroutine，那么你只需要知道，这玩意是超级轻量级的类似线程的东西，但通过它，你不需要复杂的线程操作锁操作，不需要care调度，就能玩转基本的并行程序。在Go语言里，触发一个routine和erlang spawn一样简单。基本上要掌握Go语言，以Goroutine和channel为核心的内存模型是必须要懂的。不过请放心，真的非常简单。

7. 更多现代的特性

和C比较，Go语言完全就是一门现代化语言，原生支持的Unicode, garbage collection, Closures(是的，和functional programming language类似), function是first class object，等等等等。

看到这里，你可能会发现，我用了很多轻易，简单，快速之类的形容词来形容Go语言的特点。我想说的是，一点都不夸张，连Go语言的入门学习到提高，都比别的语言门槛低太多太多。在大部分人都有C的背景的时代，对于Go语言，从入门到能够上手做项目，最多不过半个月。Go语言给人的感觉就是太直接了，什么都直接，读源代码直接，写自己的代码也直接。

网站题目：go语言的class go语言的未来
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