Go 内存分配器详解：从 mspan 布局看三级缓存如何减少锁竞争压力

Go语言以其高效的并发能力闻名，但其高性能的基础之一是极其高效的内存分配器。Go的内存分配器基于Google的TCMalloc（Thread-Caching Malloc）思想，采用了精妙的三级缓存结构，极大地减少了分配过程中的锁竞争压力。

本文将深入探讨Go内存分配的核心单元 mspan，并解释它如何在三级缓存（mcache、mcentral、堆）中协同工作，实现几乎无锁的小对象分配。

1. 为什么需要三级缓存？

传统的内存分配器通常使用全局锁来保护共享内存池，在高并发场景下，这会导致严重的性能瓶颈。Go的目标是让大多数小对象分配在不获取任何锁的情况下完成，从而支持数以万计的Goroutines并行运行。

Go通过将内存管理工作分解为三个层次来实现这一目标：

2. 第一级：mcache (Goroutine/P 局部缓存)

mcache 是分配速度最快、最核心的组件。每个操作系统线程（对应一个Go运行时处理器 P）都拥有一个私有的 mcache 实例。这个实例存储着预先分配好的、按照不同大小分类的内存块（即 mspan）。

关键特性： Goroutine 可以在其关联的 P 上分配小对象时，直接从 mcache 中获取内存，无需任何锁保护。

// 抽象概念：mcache 结构 (每个 P 私有)
type mcache struct {
    // alloc 数组存储着不同大小类别（SizeClass）的 mspan 列表
    alloc [NumSizeClasses]*mspan
    // ... 其他本地统计信息
}

// 流程：分配一个小于 32KB 的对象时：
// 1. 确定对象所属的 SizeClass。
// 2. 从 mcache.alloc[SizeClass] 中取出 span，直接分配。

如果 mcache 中某个 SizeClass 的 mspan 耗尽了，它才会向上一级缓存请求新的内存。

3. 第二级：mcentral (中央缓存)

mcentral 是共享的资源池，用于在不同的 mcache 之间平衡和分发内存。系统中每种大小类别（SizeClass）都有一个对应的 mcentral 实例。

关键特性： mcentral 负责管理所有该 SizeClass 的 mspan 列表。当 mcache 缺页时，它会从 mcentral 索取一个带有空闲对象的 mspan。

虽然 mcentral 是共享的，因此需要加锁保护，但由于只有在 mcache 耗尽时才会访问它，所以锁竞争的频率极低。

// 抽象概念：mcentral 结构 (每种 SizeClass 共享一个)
type mcentral struct {
    lock    mutex
    sizeclass int32
    // 拥有空闲对象的 mspan 列表
    nonempty mspanList 
    // 已被清空或等待 GC 的 mspan 列表
    empty    mspanList 
}

4. mspan：内存管理的基本单元

mspan 是 Go 内存分配器的核心抽象。它代表了一块连续的、已被切分成固定大小对象的内存页。

一个 mspan 总是只服务于一个特定的 SizeClass。例如，一个 mspan 可能被切割成许多 64字节的对象，另一个 mspan 可能被切割成许多 1KB 的对象。

// mspan 结构简化版
type mspan struct {
    next, prev *mspan    // 用于连接 mspanList (如 mcentral 中的 nonempty/empty)
    startAddr  uintptr   // span 起始地址
    npages     uintptr   // span 占用的页数
    // ... 还有许多字段用于追踪哪些对象已被分配
}

当 mcache 从 mcentral 拿走一个 mspan 时，它实际上是拿走了一个已经被结构化、准备好分配的内存块。一旦该 mspan 被添加到 mcache 中，mcache 对其的操作就是无锁的。

5. 第三级：堆 (Heap)

如果 mcentral 发现自己的 nonempty 列表中没有可用的 mspan，它会向 Go 运行时堆（mheap）请求一批新的操作系统页，然后将这些页切分、初始化为一个或多个新的 mspan，并将其添加到自己的 nonempty 列表中。

大对象处理： 任何大于 32KB 的对象，由于无法放入任何 SizeClass 的 mspan 中，会直接向 mheap 请求连续的页来分配。这些大对象分配需要获取全局锁，但它们占总分配量的比例很小。

总结

Go通过 mcache、mcentral 和 mspan 的巧妙配合，实现了高效的内存分配：

1. 最小化锁竞争： 绝大多数（98%以上）的小对象分配都在本地 mcache 上完成，无需任何锁。
2. 效率和均衡： mspan 保证了每次从中央缓存获取的都是一大批可以立即使用的、同类型的小对象，减少了与中央锁交互的次数。
3. 大对象管理： 大对象直接从堆中分配，避开 mcache 和 mcentral 的小对象路径，保持了分配路径的简洁性。