一文搞懂Go语言堆内存原理小结

2025-10-30 11:18 开发作者：数据知道

一、基本概念理解

1.1 什么是堆内存？

堆内存是程序内存中用于动态内存分配的部分。堆内存不是在编译过程中预先确定的，而是在程序运行过程中动态管理的。程序在执行过程中可以根据需要从堆中申请、释放内存。

在继续介绍之前，试着了解一下进程的内存布局，如下图所示，可以简单了解大致的内存布局。

+ - - - - - - - - - - - - - - - +
| Stack                         | ←- 栈，静态分配
| - - - - - - - - - - - - - - - | 
| Heap                          | ←- 堆，动态分配
| - - - - - - - - - - - - - - - | 
| Uninitialized Data            | ←- 未初始化数据
| - - - - - - - - - - - - - - - | 
| Initialized Data              | ←- 初始化数据
| - - - - - - - - - - - - - - - | 
| Code                          | ←- 代码（文本段）
+ - - - - - - - - - - - - - - - +

                     进程内存布局

我们来分解一下进程的内存布局，看看它们是如何协同工作的：

栈（Stack）：这部分内存用于静态内存分配，是存储局部变量和函数调用信息的地方，会随着函数的调用和返回而自动增大和缩小。
堆（Heap）：这是动态内存分配区域。当程序需要申请未预先定义的内存时，就会向堆申请空间。这里的内存可以在运行时分配和释放，为程序提供了处理数组、链表等动态数据结构所需的灵活性。
未初始化数据（BSS 段）：该段存放开发者已声明但并未初始化的全局变量和静态变量。程序启动时，操作系统会将这些变量初始化为零。
初始化数据：该区域包含开发者已初始化的全局变量和静态变量。程序一开始运行，这些变量就可以立即使用。
代码（文本段）：该段存储程序的可执行指令。通常这部分内存是只读的，以防止意外修改程序指令。

1.2 堆内存的特点

动态分配：内存在运行时申请、释放。

可变大小：分配的内存大小可以变化。

基于指针的管理：使用指针访问和控制内存。

+ - - - - - - - - - - -+
| Heap Memory.         | ←- 堆内存
| - - - - - - - - - - -| 
| Free block           | ←- 空闲块
| - - - - - - - - - - -| 
| Allocated Block 1    | ←- 已分配块1
| [Pointer -> Data]    |
| - - - - - - - - - - -| 
| Free Block           | ←- 空闲块
| - - - - - - - - - - -| 
| Allocated Block 2    | ←- 已分配块2
| [Pointer -> Data]    |
| - - - - - - - - - - -| 
| Free Block.          | ←- 空闲块
+ - - - - - - - - - - -+

                   动态分配

空闲块（Free Blocks）：这些是当前未分配的内存块，可供将来使用。当程序请求内存时，可以从这些空闲块中获取。
已分配块（Allocated Blocks）：这些部分已分配给程序并储存了数据。每个已分配块通常都包含一个指向其所含数据的指针。

多个空闲块和已分配块的存在表明，内存的分配和释放在程序运行过程中不断发生。由于内存分配和释放的时间不同，导致空闲内存段和已用内存段交替出现，堆就会出现这种碎片化现象。

1.3 前置知识：栈与堆的根本区别

要理解堆，必先理解栈。在 Go 程序中，每个 Goroutine 都有一个独立的栈，而所有 Goroutine 共享一个堆。

特性	栈	堆
所有权	`Goroutine` 独有	进程内所有 `Goroutine` 共享
分配与释放	编译器/运行时自动管理，函数入栈时分配，出栈时释放，速度极快	垃圾回收器管理，分配相对较慢，释放时机不确定（GC时）
大小	小而固定（初始几KB，可动态增长，但有上限）	非常大（可达 TB 级别，受限于系统内存）
存储数据	函数参数、局部变量、返回地址等生命周期明确的数据	生命周期不确定的数据，比如函数返回后仍需被访问的对象
访问速度	快（连续内存，CPU缓存友好）	慢（内存不连续，可能涉及系统调用）

1.4 堆内存如何工作？

堆内存由操作系统管理。当程序请求内存时，操作系统会从进程的堆内存段中分配内存。这一过程涉及多个关键组件和功能：

主要组成部分：

堆内存段：进程内存中保留用于动态分配的部分
mmap：调整数据段末尾以增加或减少堆大小的系统调用
malloc 和 free：C 库提供的函数，用于分配和释放堆上的内存
内存管理器：C 库的一个组件，用于管理堆，跟踪已分配和已释放的内存块。

1.5 核心原理：Go 对象如何分配到堆上？

当一个 Goroutine 需要在堆上分配内存时，流程如下：

获取 P：该 Goroutine 绑定到某个 P（逻辑处理器）上。
查找 mcache：从 P 中获取其专属的内存缓存 mcache。
大小分级：根据要分配的对象大小，选择合适的规格：
- 微小对象 (< 16 bytes)：直接在 mcache 中用一个专门的 tiny 对象来处理，避免浪费。
- 小对象 (< 32KB)：在 mcache 中寻找对应大小规格的 mspan（内存跨度）来分配。
- 大对象 (>= 32KB)：直接跳过 mcache 和 mcentral，向全局的 mheap 申请内存。
  关键点：绝大多数对象都是小对象，它们的分配都可以在 mcache 中无锁完成，速度极快。

核心问题：编译器如何决定一个对象放栈上还是堆上？

答案是：逃逸分析。

Go 编译器会分析代码，如果一个局部变量的作用域超出了它所在的函数（即“逃逸”了），那么它就必须被分配在堆上。如：

// 情况一：不逃逸，分配在栈上
func stackExample() int {
    x := 10  // x 的生命周期只在 stackExample 函数内
    return x
}
// 情况二：逃逸，分配在堆上
func heapExample() *int {
    x := 10  // x 的指针被返回，作用域超出了函数，x 逃逸到堆上
    return &x
}

可以使用 go build -gcflags="-m" 命令来查看逃逸分析的结果：

$ go build -gcflags="-m" main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:6: can inline heapExample
./main.go:11:2: leaking param: x
./main.go:11:2: moved to heap: x

moved to heap: x 明确告诉我们变量 x 被分配到了堆上。

1.6 Go 内存分配器：TCMalloc 的继承与演进

Go 的内存分配器高度借鉴了 Google 的 TCMalloc。其核心思想是：避免多线程竞争，将内存管理工作分摊到每个处理器（P）上。

这带来了两个核心设计：

无锁化：每个 P 都有自己的本地内存缓存，大部分分配操作都在 P 内部完成，无需加锁。
分级管理：将内存按大小分为不同级别，用不同策略管理，提高分配效率。

二、Go 如何管理堆内存

Go 为堆内存管理提供了内置函数和数据结构，如 new、make、slices、maps 和 channels。这些函数和数据结构抽象掉了底层细节，在内部与操作系统的内存管理机制进行了交互。

2.1 案例

我们通过一个简单的 Go 程序来理解，该程序为整数片段分配内存、初始化数值并打印。（main.go）

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    // 为包含10个整数的切片分配内存(动态数组)
    memorySize := 10
    slice := make([]int, memorySize)

    // 初始化并使用分配的内存
    for i := 0; i < len(slice); i++ {
        slice[i] = 5 // 为每个元素赋值
    }

    // 打印值
    for i := 0; i < len(slice); i++ {
        fmt.Printf("%d ", slice[i])
    }
    fmt.Println()

    // 通过强制垃圾收集演示内存释放
    runtime.GC()
}

为了了解 Go 如何与 linux 内存管理库交互，可以使用 strace（Centos系统可通过：yum install strace安装）来跟踪 Go 程序进行的系统调用。

2.2 内存分配中的系统调用

$ go build -o memory_allocation main.go
$ strace -f -e trace=mmap,munmap ./memory_allocation

执行结果如下：

mmap(NULL, 262144, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50caa6b000
mmap(NULL, 131072, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50caa4b000
mmap(NULL, 10javascript48576, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50ca94b000
mmap(NULL, 8388608, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50ca14b000
mmap(NULL, 67108864, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50c614b000
mmap(NULL, 536870912, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50a614b000
mmap(NULL, 536870912, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f508614b000
mmap(0xc000000000, 67108864, PROT_NONE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xc000000000
mmap(NULL, 33554432, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f508414b000
mmap(NULL, 69648, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5084139000
mmap(0xc000000000, 4194304, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xc000000000
mmap(0x7f50caa4b000, 131072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50caa4b000
mmap(0x7f50ca9cb000, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, javascriptMAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50ca9cb000
mmap(0x7f50ca551000, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50ca551000
mmap(0x7f50c817b000, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50c817b000
mmap(0x7f50b62cb000, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50b62cb000
mmap(0x7f50962cb000, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f50962cb000
mmap(NULL, 1048576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5084039000
mmap(NULL, 65536, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5084029000
mmap(NULL, 65536, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5084019000
mmap(NULL, 1439992, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5083eb9000
strace: Process 1425438 attached
[pid 1425437] mmap(NULL, 262144, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5083e79000
strace: Process 1425439 attached
strace: Process 1425440 attached
[pid 1425437] mmap(NULL, 262144, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5083e39000
strace: Process 1425441 attached
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 
[pid 1425437] mmap(NULL, 65536, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5083e29000
[pid 1425440] +++ exited with 0 +++
[pid 1425439] +++ exited with 0 +++
[pid 1425438] +++ exited with 0 +++
[pid 1425441] +++ exited with 0 +++
+++ exited with 0 +++

+ - - - - - - - - - - -+
| Go Program           | ←- Go 程序
| - - - - - - - - - - -| 
| Calls Go Runtime     | ←- 调用 Go 运行时
| - - - - - - - - - - -| 
| Uses syscalls:       | ←- 系统调用：mmap，munmap
| mmap, munmap         |
| - - - - - - - - - - -| 
| Interacts with OS    | ←- 与操作系统内存管理器交互
| Memory Manager       |
+ - - - - - - - - - - -+
                      系统调用的简化示例

strace 输出解释

mmap 调用：mmap 系统调用用于分配内存页。输出中的每个 mmap 调用都是请求操作系统分配特定数量（用 size 参数指定，例如 262144、131072 字节）的内存，。
内存保护（Memory Protections）：参数 PROT_READ|PROT_WRITE 表示分配的内存应是可读和可写的。
匿名映射（Anonymous Mapping）：MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS 标记表示内存没有任何文件支持，所做更改对进程来说是私有的。
固定地址映射（Fixed Address Mapping）：有些 mmap 调用使用 MAP_FIXED 标记，指定内存应映射到特定地址，通常用于直接管理特定内存区域。

2.3 内存分配过程的各个阶段:

+ - - - - - - - - - - -+
| Ini编程客栈tialize Slice     | ←- 初始化切片
| [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] |
| - - - - - - - - - - -|
| Set Values           | ←- 设置值
| [5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5] |
| - - - - - - - - - - -| 
| Print Values         | ←- 打印值
| 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5  |
| - - - - - - - - - - -| 
| Force GC             | ←-javascript 强制垃圾回收
| - - - - - - - - - - -|

上图说明了 Go 动态内存分配和管理的逐步过程。

1、初始化切片：[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]，切片（动态数组）的初始状态为 10 个元素，全部设置为 0。这一步展示了 Go 如何为切片分配内存。
2、设置值：[5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5] ，然后，在切片的每个元素中填入值 5。这一步演示了如何初始化和使用分配的内存。
3、打印值：5 5 5 5 5 5 5 5 5 5，打印切片的值，确认内存分配和初始化成功。这一步验证程序是否正确访问和使用了分配的内存。
4、强制 GC（垃圾回收）：手动触发垃圾回收器，释放不再使用的内存。这一步强调 Go 的自动内存管理和清理过程，确保了资源的有效利用。

三、堆内存管理：三级结构

Go 的堆内存管理是一个精密的三级（或四级）结构，理解它就理解了 Go 内存管理的核心。

3.1 第一级：mcache (Per-P Cache)

是什么：每个 P 都有一个独立的 mcache。
作用：存储各种大小规格的 mspan 的空闲列表。
特点：无锁分配。因为 P 同一时间只能被一个 Goroutine 占用，所以从 mcache 分配内存是线程安全的，无需加锁。这是 Go 高并发内存分配性能高的关键。

3.2 第二级：mcentral (Central Cache)

是什么：全局的内存中心，所有 P 共享。它按 spanclass（大小规格）分为多个 mcentral。
作用：当 mcache 中的 mspan 不够用时，P 会向对应的 mcentral 申请新的 mspan。
特点：需要加锁。因为多个 P 可能同时向同一个 mcentral 申请内存，所以需要加锁保证线程安全。

3.3 第三级：mheap (Heap Manager)

是什么：全局唯一的堆内存管理器，掌管着所有从操作系统申请来的大块内存。
作用：
1. 管理 mcentral，当 mcentral 的 mspan 不足时，向 mheap 申请。
2. 直接处理大对象（>= 32KB）的分配请求。
3. 当内存不足时，向操作系统申请更多内存（调用 mmap）。

3.4 基础单元：mspan (Memory Span)

是什么：mcache、mcentral、mheap 之间流转的基本单位。它是一段连续的内存地址，由多个页组成。
作用：mspan 会被划分为特定大小的块，用于存储同一种规格的对象。例如，一个 mspan 可能专门用来存放所有 16 字节大小的对象。

流程串联： Goroutine -> mcache (无锁) -> mcentral (加锁) -> mheap (全局锁) -> OS

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