go内存模型

1.内存分配模型

堆：分配器会负责从堆中初始化相应的内存区域
比较灵活，可以按需分配，但是容易造成内存泄漏，悬挂指针
栈：函数调用的参数、返回值以及局部变量大都会被分配到栈上，这部分内存会由编译器进行管理
可以进行自动管理，但是大小固定，会发生栈溢出

1.设计原理

内存分配方式：
1.线性分配
2.空闲链表分配
首次适应（First-Fit）— 从链表头开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块；
循环首次适应（Next-Fit）— 从上次遍历的结束位置开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块；
最优适应（Best-Fit）— 从链表头遍历整个链表，选择最合适的内存块；
3.隔离适应分配
将内存分割成多个链表，每个链表中的内存块大小相同，申请内存时先找到满足条件的链表，再从链表中选择合适的内存块

4.多级线程缓存分配
Go 语言的内存分配器会根据申请分配的内存大小选择不同的处理逻辑，运行时根据对象的大小将对象分成微对象、小对象和大对象三种：

除了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，Go 运行时分配器都会引入线程缓存（Thread Cache）、中心缓存（Central Cache）和页堆（Page Heap）三个组件分级管理内存

spans 区域存储了指向内存管理单元的指针，每个内存单元会管理几页的内存空间，每页大小为8KB；
bitmap 用于标识 arena区域中的哪些地址保存了对象，位图中的每个字节都会表示堆区中的32字节是否空闲；
arena 区域是真正的堆区，运行时会将 8KB 看做一页，这些内存页中存储了所有在堆上初始化的对象；

稀疏的内存布局不仅能移除堆大小的上限，还能解决 C 和 Go 混合使用时的地址空间冲突问题

2.内存管理

mspan是内存管理的基本单元，负责一个固定大小的区域，根据大小分不同的class
mcache是线程缓存，每个处理器负责一个mcache，持有136个mspan，每一个处理器都会分配一个线程缓存mcache用于处理微对象和小对象的分配，访问线程缓存不需要锁
mcentral是中心缓存，访问中心缓存中的内存管理单元需要使用互斥锁，用于处理特定class的msapn
mheap是页堆，持有67*2个mcentral，Go会将其作为全局变量存储，而堆上初始化的所有对象都由该结构体统一管理

2.垃圾回收模型

垃圾回收的方式

1.手动清理，c，c++，rust
2.自动清理
引用计数法：python
可达性分析：java，go

go垃圾回收算法

1.标记清除

整个过程需要标记对象的存活状态，用户程序在垃圾收集的过程中也不能执行，stw(stop the world)太久

2.三色标级

白色对象 — 潜在的垃圾，其内存可能会被垃圾收集器回收；
黑色对象 — 活跃的对象，包括不存在任何引用外部指针的对象以及从根对象可达的对象；
灰色对象 — 活跃的对象，因为存在指向白色对象的外部指针，垃圾收集器会扫描这些对象的子对象；

不可以并发或者增量执行的，假设在标记阶段发生了指针的变化，可能会导致对象丢失，例如上图。所以三色标记的实现仍然需要 STW

3.屏障技术

满足两点可以保证不存在对象丢失
弱三色不变式：所有被黑色对象引用的白色对象都处于灰色保护状态（直接或间接从灰色对象可达）
强三色不变式：不存在黑色对象到白色对象的指针

插入写屏障拦截将白色指针插入黑色对象的操作，标记其对应对象为灰色状态，这样就不存在黑色对象引用白色对象的情况了，满足强三色不变式
Golang对栈上指针的写入添加写屏障的成本很高，所以Go选择仅对堆上的指针插入增加写屏障，这样就会出现在扫描结束后，栈上仍存在引用白色对象的情况，这时的栈是灰色的，不满足三色不变式，所以需要对栈进行重新扫描使其变黑，完成剩余对象的标记，这个过程需要STW。这期间会将所有goroutine挂起，当有大量应用程序时，时间可能会达到10～100ms

删除写屏障也是拦截写操作的，在老对象的引用被删除时，将白色的老对象涂成灰色，这样删除写屏障就可以保证弱三色不变性，老对象引用的下游对象一定可以被灰色对象引用

混合写屏障是上述两种的结合，go1.8后采用此方式

总结：
（1）将栈上的对象全部标记为黑色
（2）被删除的对象指向的对象标记为灰色
（3）被添加的对象标记为灰色

4.并发增量

增量式（Incremental）的垃圾收集是减少程序最长暂停时间的一种方案，它可以将原本时间较长的暂停时间切分成多个更小的 GC 时间片，虽然从垃圾收集开始到结束的时间更长了，但是这也减少了应用程序暂停的最大时间

并发（Concurrent）的垃圾收集不仅能够减少程序的最长暂停时间，还能减少整个垃圾收集阶段的时间，通过开启读写屏障、利用多核优势与用户程序并行执行，并发垃圾收集器确实能够减少垃圾收集对应用程序的影响

3.栈内存管理

寄存器是CP中的稀缺资源，它的存储能力非常有限，但是能提供最快的读写速度，充分利用寄存器的速度可以构建高性能的应用程序。寄存器在物理机上非常有限，然而栈区的操作会使用到两个以上的寄存器，这足以说明栈内存在应用程序的重要性。
栈寄存器是 CPU 寄存器中的一种，它的主要作用是跟踪函数的调用栈，Go 语言的汇编代码包含 BP 和 SP 两个栈寄存器，它们分别存储了栈的基址指针和栈顶的地址，栈内存与函数调用的关系非常紧密，我们在函数调用一节中曾经介绍过栈区，BP 和 SP 之间的内存就是当前函数的调用栈。