TCMalloc 内存分配原理简析

一、TCMalloc

TCMalloc简介

为啥要介绍 TCMalloc
因为golang的内存分配算法绝大部分都是来自 TCMalloc,golang只改动了其中的一小部分。所以要理解golang内存分配算法,就要先了解下TCMalloc,为后面分析golang内存做一做功课。

tcmalloc 是google开发的内存分配算法库,最开始它是作为google的一个性能工具库 perftools 的一部分。TCMalloc是用来替代传统的malloc内存分配函数。它有减少内存碎片,适用于多核,更好的并行性支持等特性。
前面TC就是Thread Cache两英文的简写。

它提供了很多优化,如:

  • TCMalloc用固定大小的page(页)来执行内存获取、分配等操作。这个特性跟Linux物理内存页的划分是不是有同样的道理。
  • TCMalloc用固定大小的对象,比如8KB,16KB 等用于特定大小对象的内存分配,这对于内存获取或释放等操作都带来了简化的作用。
  • TCMalloc还利用缓存常用对象来提高获取内存的速度。
  • TCMalloc还可以基于每个线程或者每个CPU来设置缓存大小,这是默认设置。
  • TCMalloc基于每个线程独立设置缓存分配策略,减少了多线程之间锁的竞争。

TCMalloc架构简图

来自:google tcmalloc design

  • Front-end:
    它是一个内存缓存,提供了快速分配和重分配内存给应用的功能。它主要有2部分组成:Per-thread cache 和 Per-CPU cache。

  • Middle-end:
    职责是给Front-end提供缓存。也就是说当Front-end缓存内存不够用时,从Middle-end申请内存。它主要是 Central free list 这部分内容。

  • Back-end:
    这一块是负责从操作系统获取内存,并给Middle-end提供缓存使用。它主要涉及 Page Heap 内容。

TCMalloc将整个虚拟内存空间划分为n个同等大小的Page。将n个连续的page连接在一起组成一个Span。
PageHeap向OS申请内存,申请的span可能只有一个page,也可能有n个page。

ThreadCache内存不够用会向CentralCache申请,CentralCache内存不够用时会向PageHeap申请,PageHeap不够用就会向OS操作系统申请。

TCMalloc中的概念

Page

操作系统对内存管理的单位,TCMalloc也是以页为单位管理内存,但是TCMalloc中Page大小是操作系统中页的倍数关系。2,4,8 ....

Span

Span 是PageHeap中管理内存页的单位,它是由一组连续的Page组成,比如2个Page组成的span,多个这样的span就用链表来管理。当然,还可以有4个Page组成的span等等。

ThreadCache

ThreadCache是每个线程各自独立拥有的cache,一个cache包含多个空闲内存链表(size classes),每一个链表(size-class)都有自己的object,每个object都是大小相同的。

CentralCache

CentralCache是当ThreadCache内存不足时,提供内存供其使用。它保持的是空闲块链表,链表数量和ThreadCache数量相同。ThreadCache中内存过多时,可以放回CentralCache中。

PageHeap

PageHeap保存的也是若干链表,不过链表保存的是Span(多个相同的page组成一个Span)。CentralCache内存不足时,可以从PageHeap获取Span,然后把Span切割成object。

小对象内存分配 ThreadCache

TCMalloc 定义了很多个size class,每个size class都维护了一个可分配的的空闲列表,空闲列表中的每一项称为一个object(如下图),同一个size-class的空闲列表中每个object大小相同。
在申请小内存时(小于256K),TCMalloc会根据申请内存大小映射到某个size-class中。
比如,申请0到8个字节的大小时,会被映射到size-class1中,分配8个字节大小;申请9到16字节大小时,会被映射到size-class2中,分配16个字节大小….以此类推。

上面每一个object都是 N bytes。用于Thread Cache小内存分配。
这个就组成了每一个ThreadCache的free list,thread可以从各自的free list获取对象,不需要加锁,所以速度很快。

如果ThreadCache的free list为空呢?那就从CentralCache中的CentralFreeList中获取若干个object到ThreadCache对应的size class列表中,然后在取出其中一个object返回。
如果CentralFreeList中的object不够用了呢?那CentralFreeList就会向PageHeap申请一连串由Span组成页面,并将申请的页面切割成一系列的object之后,再将部分object转移给ThreadCache。
如果PageHeap也不够用了呢?那就向OS操作系统申请内存。
从上面论述可以看出,这也是一个多级缓存思想的应用。

当申请的内存大于256K时,不在通过ThreadCache分配,而是通过PageHeap直接分配大内存。

大对象内存分配 PageHeap

PageHeap负责向操作系统申请内存。
tcmalloc也是基于页的分配方式,即每次申请至少一页(page)的内存大小。tcmalloc中一页大小为8KB(默认,可设置),多数linux中一页为4KB,tcmallo的一页是linux一页大小的2倍。

PageHeap申请内存时按照页申请,但它管理分配好的page内存时的基本单位是Span,Span对象代表了连续的页。如下图所示:

PageHeap中是如何组织Span,如下图

Middle end-Central Free List

CentralFreeList是CentralCahe中,它的作用就是从PageHeap中取出部分Span,然后按照预定大小将其拆分成固定大小的object,提供给ThreadCache使用。

[完]

二、参考

== just do it ==
posted @ 2020-10-24 15:06  九卷  阅读(3596)  评论(0编辑  收藏  举报