面试题：Go内存管理之堆内存分配

Question

在Go语言中，简述堆内存分配的基本过程，以及Go运行时是如何管理堆内存以提高分配效率的？

Answer 1

堆内存分配基本过程

1. 内存请求：当Go程序中通过new、make等操作请求分配堆内存时，运行时系统开始处理该请求。
2. mcentral查找：运行时首先会在mcentral结构中查找合适的内存块。mcentral是管理某一种大小规格内存块的结构，每个mcentral负责管理一种特定大小的对象。如果mcentral中有可用的内存块，就直接从这里获取。
3. mheap分配：如果mcentral中没有合适的内存块，就会向mheap请求分配。mheap是Go运行时堆内存管理的核心结构，它管理着整个堆内存。mheap会从大的空闲内存区域中切分出合适大小的内存块给mcentral，然后mcentral再将其分配给请求的mspan（mspan是实际管理内存块的结构）。
4. 对象分配：mspan将分配到的内存块划分成一个个小的对象，并分配给程序使用。

提高分配效率的管理方式

1. 分级管理：通过mheap、mcentral和mspan的分级管理结构，使得不同大小的内存请求可以高效地被处理。mheap负责管理大的内存区域，mcentral负责管理特定大小规格的内存块，mspan负责实际的对象分配，这种结构减少了内存碎片，提高了内存分配效率。
2. 缓存机制：Go运行时使用了缓存机制。例如，每个mspan都有一个freelist，用于缓存已释放的对象，下次分配同类型对象时可以直接从freelist中获取，减少了从mcentral或mheap获取内存的开销。同时，mcentral也会缓存一定数量的空闲mspan，提高分配效率。
3. 无锁分配：在某些情况下，Go运行时使用无锁数据结构和算法来进行内存分配，减少了锁竞争带来的开销，提高了并发环境下的内存分配效率。例如，对于小对象的分配，mcache（每个M线程都有一个mcache，用于缓存常用大小的对象）可以在无锁的情况下快速分配内存。