Span和mspan的关系在go中是怎么定义的

在 Go 语言底层实现中，“Span” 并不是一个独立的关键字或类型，而是指由 mspan 结构体管理的一段连续的、以 Page（页）为单位的内存空间。

一个 mspan 管理着一个 Span（一段连续内存），且一个 mspan 只能有一种规格。在 Go 的 TCMalloc 模型中，规格（Size Class）是属于 mspan 结构体的属性

我们可以认为 mspan是span的物理实现。mspan 结构体定义了如何管理某段Span内存，所以我们可以这样认为 Span代表一段连续的物理内存，是抽象的概念。

而mspan才是具体的实现span。

规则：一个 mspan 对象在初始化时，必须指定一个唯一的

spanClass，一个 mspan 对象代表某个规格的Span内存。一个mspan对象在它的生命周期内，只能代表一种规格。

mspan 代表某种规格时，它实际上固定了以下参数：
mspan.elemsize（元素大小）：每个对象的长度（如 16B）。
mspan.nelems（元素数量）：这段内存总共能放多少个对象。
mspan.noscan（扫描属性）：这种规格的对象是否包含指针（如果不含指针，GC 时将直接跳过，显著提升性能）。

物理表现：一旦规格确定，这个 mspan 管理的物理内存（Span）就会被平均切分成 N 个大小完全一致的坑位
结论：不存在“一个 Span 包含多种规格”的情况。如果一段内存里既有 8 字节对象又有 16 字节对象，那么它们一定分属于两个不同的 mspan

如果你在源码中寻找它的定义，它核心体现在 runtime 包中的 mspan 结构体及相关的常量。

1. 物理层面的定义：连续的 Page

从物理意义上讲，一个 Span 是由一个或多个连续的 Page 组成的内存块。

最小单位：1 个 Page（在 Go 中固定为 8KB，即 _PageSize）。

_PageSize = 1 << _PageShift   //1<<13 = 8192 , _PageShift=13
定义在 C:\Go\src\runtime\malloc.go

跨度：由常量 class_to_allocnpages 决定。例如，某些规格的 Span 跨度为 1 页（8KB），某些大规格的可能跨度为 4 页（32KB）或更多。

2. 逻辑层面的定义：mspan 结构体

在 src/runtime/mheap.go 中，mspan 结构体定义了如何管理这段内存(span)：

type mspan struct {
    // 1. 物理地址信息
    next    *mspan     // 双向链表下一项
    prev    *mspan     // 双向链表前一项
    startAddr uintptr  // 该 Span 在虚拟内存中的起始地址(定义了这段内存从虚拟地址的哪个点开始)
    npages    uintptr  // 该 Span 包含的页数（每页 8KB），定义了这段地盘有多大（由多少个 8KB 的 Page 组成）

// 2. 规格信息
    spanclass   spanClass // 规格等级（Size Class）和标记（是否包含指针）
    elemsize    uintptr   // 单个对象的大小（如 8byte, 16byte, 32byte等），注意一个page=8k是远大于对象大小的
    nelems      uintptr  
    // 该 Span 中总共可以存放的对象个数，一个page会包括多个对象,  1 个 Page 的容量远大于 1 个 32 字节的对象。
    // 对象数量= PageSize/elemsize
    // 假如对象大小为32k, 例如: 8192/32=256 ，这1个连续的Page被逻辑切分成了256个连续的32字节对象坑位。

// 3. 分配状态管理
    freeindex uintptr     // 下一个空闲对象的索引
    allocBits  *gcBits    // 标记哪些对象已被分配的位图
    gcmarkBits *gcBits    // GC 标记阶段使用的位图
    // ... 其他元数据
}

我们看下 mspan 和spanclass elemsize nelems 用一个格子模型展示一下：

mspan 管理结构体  
+-------------------------------------------------------------+
| [spanclass: 3] [elemsize: 32bye] [nelems: 256] [npages: 1]  |
| [freeindex: 2] [allocBits: 1100...] [gcmarkBits: 1000...]   |
+-------------------------------------------------------------+
          |
          | 管理/指向
          v
物理内存跨度Span - 总长度是 8192 字节 (8KB)
+-------------------------------------------------------------+
|  Index 0  |  Index 1  |  Index 2  |  Index 3  | ... Index 255 |
| (32 Bytes)| (32 Bytes)| (32 Bytes)| (32 Bytes)| ... (32 Bytes)|
+-----------+-----------+-----------+-----------+---------------+
| [Object]  | [Object]  | [ 空闲 ]   | [ 空闲 ]   | ... [ 空闲 ]   |
+-----------+-----------+-----------+-----------+---------------+
|<- elemsize ->|

3. Span 的生命周期定义

在 Go 运行时的内存层级中，Span 的地位如下：

从 Arena 分配：当需要新的 Span 时，mheap 从 heapArena 中划出 N 个连续的 Page。
切分与规格化：根据分配请求的 Size Class，这段内存被“格式化”。例如，一个 8KB 的 Span 被切分为 1024 个 8 字节的对象。
放入缓存：mspan 被放入 P（处理器）的 mcache 中，供程序极速分配。

4. 关键特性

单一规格性：一个 mspan 内的所有对象大小必须完全一致。如果你申请 16 字节，你只会从负责 16 字节规格的 mspan 中获得内存。
页对齐：所有的 Span 起始地址必须是 Page（8KB）的整数倍。
元数据分离：Span 的实际数据在 Arena 中，而管理它的 mspan 结构体（元数据）则存储在专门的 mheap 管理区，这种分离保证了用户数据的纯净和缓存友好性。

总结

在 Go 中，Span 是内存分配的“施工段”。它代表了：“从地址 A 开始，后面连续的 N 个 Page 内存，现在全部按 X 字节一个坑位进行切分，由这个 mspan 对象负责管账。”

posted @ 2026-01-26 23:05 jinzi 阅读(0) 评论(0) 收藏举报

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