前言
Go语言抛弃C/C++中的开发者管理内存的方式，实现了主动申请与主动释放管理，增加了逃逸分析和垃圾回收，将开发者从内存管理中释放出来。
所以我们在日常编写代码的时候不需要精通内存的管理，它确实很复杂。但是另一方面，如果你掌握了Go内存管理的基本概念和知识点，可以让你写出更高质量的，更压榨机器性能的代码；另外，还能帮助你更快更精准得定位Bug，快速解决问题。所以，作为进阶的Go开发，了解掌握Go的内存管理还是很有必要的。
相关背景
存储金字塔
冯·诺依曼计算机体系中的存储器，是用于存储程序和数据的。现代计算机系统中，一般都是采用“CPU寄存器-CPU高速缓存-内存-硬盘”的存储器结构。自上而下容量逐渐增大，速度逐渐减慢，单位价格逐渐降低。
（图片来自于网络）
1、CPU寄存器：存储CPU正在使用的数据或指令。
2、CPU高速缓存：存储CPU近期要用到的数据和指令。
3、内存：存储正在运行或者将要运行的程序和数据。
4、硬盘：存储暂时不使用或者不能直接使用的程序和数据
虚拟内存
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物理内存：是指实际通过物理内存而获得的内存空间。
虚拟内存：与物理内存相反,是指根据系统需要从硬盘中虚拟的划出一部分存储空间。
虚拟内存技术就是对内存的一种抽象，有了这层抽象之后，程序运行进程的总大小可以超过实际可用的物理内存大小。每个进程都有自己的独立虚拟地址空间，然后通过CPU和MMU把虚拟内存地址转换为实际物理地址。
TCMalloc
TCMalloc全称是Thread Cache Malloc,是google为C语言开发的内存分配算法，是Go内存分配的起源。
TCMalloc内存分配算法的核心思想是把内存分为多级管理，从而降低锁的粒度，它将可用的堆内存采用二级分配的方式进行管理，每个线程都会自行维护一个独立的线程内存池，进行内存分配时优先从该线程内存池中分配, 当线程内存池不足时才会向全局内存池申请，以避免不同线程对全局内存池的频繁竞争 ,进一步的降低了内存并发访问的粒度。
Go的内存分配算法是基于TCMalloc内存分配算法实现的，借鉴了TCmalloc的思想。
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几个重要概念
Page: 操作系统对内存的管理同样是以页为单位，但TCMalloc中的Page和操作系统的中页是倍数关系，x64下Page大小为8KB。
Span：一组连续的Page被叫做Span，是TCMalloc内存管理的基本单位，有不同大小的Span，比如2个Page大的Span，16个Page大的Span。
ThreadCache：每个线程各自的Cache，每个ThreadCache包含多个不同规格的Span链表，叫做SpanList，内存分配的时候，可以根据要分配的内存大小，快速选择不同大小的SpanList，在SpanList上选择合适的Span，每个线程都有自己的ThreadCache，所以ThreadCache是无锁访问的。
CentralCache：中心Cache，所有线程共享的Cache，也是保存的SpanList，数量和ThreadCache中数量相同，当ThreadCache中内存不足时，可以从CentralCache中获取，当ThreadCache中内存太多时，可以放回CentralCache，由于CentralCache是线程共享的，所以它的访问需要加锁。
PageHeap：堆内存的抽象，同样当CentealCache中内存太多或太少时，都可从PageHeap中放回或获取，同样，PageHeap的访问也是需要加锁的。
管理分配
核心思想
Go在程序启动的时候，会分配一块连续的内存（虚拟的地址空间，还没有真正地分配内存），切成小块后自己进行管理，对内存的分配遵循以下思想。
1.每次从操作系统申请一大块内存, 以减少系统调用。
2.将申请到的大块内存按照特定大小预先切分成小块, 构成链表。
3.为对象分配内存时, 只需从大小合适的链表提取一个小块即可。
4.回收对象内存时, 将该小块内存重新归还到原链表, 以便复用。
5.如闲置内存过多, 则尝试归还部分内存给操作系统, 降低整体开销。
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内存管理由mcache、mcentral、mheap组成一个三级管理结构，本质上都是对mspan的管理，三者用于不同的目的来共同配合管理所有mspan。
mspan
mspan是Go中内存管理的基本单元，是由一片连续的8kB的page组成的内存块。但是小对象和大对象分配的位置不用，大对象在mheap上分配，mheap向操作系统申请新内存时，是向虚拟内存申请；小对象使用mcache的tiny分配器分配。
一组连续的Page组成1个Span，go把内存分为67个大小不同的span，并且大小是不固定的。
源码文件src/runtime/sizeclasses.go对67种span的定义（源码版本为go-1.17.1,本文下所有源码展示均为此版本）
延伸扩展：67种定义列表里面有一列的名称叫做"max waste",代表的是这个span下可能出现的最大内存浪费比例。举个例子解释，看第4个规格的情况：
class bytes/obj bytes/span objects tail waste max waste min align
4 32 8192 256 0 21.88% 32
4的对象最小内存长度为25字节（因为小于25的只会申请3或3以下的，要不到4），所以如果每个object都被25字节的对象申请，此时内存浪费最大，对应浪费率为：(32-25)/32 = 21.88%。
再通过观察整个列表可以看到，"max waste"一列并非线性递减的，熟悉Linux的同学应该猜到原因了，没错，这个设计跟大名鼎鼎的伙伴算法是非常相似的。
伙伴算法（buddy算法），就是将内存分成若干块，然后以最适合的方式满足程序内存需求的一种内存管理算法，伙伴算法是尽可能地在提高内存利用率的同时减少内存碎片。但是算法中，一个很小的块往往会阻碍一个大块的合并，一个系统中，对内存块的分配，大小是随机的，一片内存中仅一个小的内存块没有释放，旁边两个大的就不能合并，这也是造成上面现象的根因。（完整解读伙伴算法需要非常大的篇幅和难度，本文就不展开了，文章最后有参考链接，读者可自行研究）
回来主题，上面说到的Spans有3种类型：
空闲-span，没有对象，可以释放回操作系统，或重用于堆分配，或重用于堆栈内存。
正在使用-span，至少有一个堆对象，可能有更多的空间。
栈-span，用于 goroutine 堆栈。此跨度可以存在于堆栈中或堆中，但不能同时存在。
源码文件src/runtime/mheap.go对mspan结构体的定义
type mspan struct {
next *mspan // 链表后向指针
prev *mspan // 链表前向指针
list *mSpanList // 双端队列的head（已无实际用途）
startAddr uintptr // span起始位置的地址指针
npages uintptr // 可供分配的页数
...
manualFreeList gclinkptr // 在mSpanManual的空闲对象
allocCache uint64 // 在freeindex处的allocBits的缓存
...
allocBits *gcBits // 标记span中的elem哪些是被使用的，哪些是未被使用的
gcmarkBits *gcBits // 标记span中的elem哪些是被标记的，哪些是未被标记的
speciallock mutex // 互斥锁
}
管理组件说明
内存管理器由mcache, mcentral, mheap3种组件构成： 三级管理结构是为了方便对span进行管理，加速对span对象的访问和分配，这三个结构在runtime中分别有对应的mcache.go、mcentral.go、mheap.go文件。
mcache：保存的是各种大小的Span，并按Span class分类，小对象直接从mcache分配内存，它起到了缓存的作用，并且可以无锁访问Go中是每个P拥有1个mcache，因为在Go程序中，当前最多有GOMAXPROCS个线程在运行，所以最多需要GOMAXPROCS个mcache就可以保证各线程对mcache的无锁访问。
mcentral：是所有线程共享的缓存，需要加锁访问，它按Span class对Span分类，串联成链表，当mcache的某个级别Span的内存被分配光时，它会向mcentral申请1个当前级别的Span。
mheap：是堆内存的抽象，把从OS（系统）申请出的内存页组织成Span，并保存起来。当mcentral的Span不够用时会向mheap申请，mheap的Span不够用时会向OS申请，向OS的内存申请是按页来的，然后把申请来的内存页生成Span组织起来，同样也是需要加锁访问的。mheap主要用于大对象的内存分配，以及管理未切割的mspan，用于给mcentral切割成小对象。
熟悉的金字塔，熟悉的结构（图片来自于网络）
通俗的理解：mcache, mcentral, mheap就是对ThreadCache, CentralCache, PageHeap的继承沿用和基于go体系的优化处理版本。
分配流程
Go的内存分配器在分配对象时，根据对象的大小，分成三类：小对象（16B && 32KB）。
源码文件src/runtime/malloc.go根据分配对象的大小选择对应的空间申请
大体上的分配流程：
1.>32KB 的对象，直接从mheap上分配。
2.16B &&
