Golang中也实现了内存分配器，原理与tcmalloc类似，简单的说就是维护一块大的全局内存，每个线程(Golang中为P)维护一块小的私有内存，私有内存不足再从全局申请。另外，内存分配与GC（垃圾回收）关系密切，所以了解GC前有必要了解内存分配的原理。
为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。 以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：
预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。
arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；
spans区域存放span的指针，每个指针对应一个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)乘以指针大小8byte = 512M
bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。
span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。
根据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：
上表中每列含义如下：
class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型
bytes/obj：该class代表对象的字节数
bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数乘以页大小
objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）waste
bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）上表可见最大的对象是32K大小，超过32K大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。
span是内存管理的基本单位,每个span用于管理特定的class对象, 跟据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：
以class 10为例，span和管理的内存如下图所示：
spanclass为10，参照class表可得出npages=1,nelems=56,elemsize为144。其中startAddr是在span初始化时就指定了某个页的地址。allocBits指向一个位图，每位代表一个块是否被分配，本例中有两个块已经被分配，其allocCount也为2。next和prev用于将多个span链接起来，这有利于管理多个span，接下来会进行说明。
有了管理内存的基本单位span，还要有个数据结构来管理span，这个数据结构叫mcentral，各线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断的加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。src/runtime/mcache.go:mcache定义了cache的数据结构
alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。mcache和span的对应关系如下图所示：
mchache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态的从central中获取并缓存下来，跟据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。
cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。src/runtime/mcentral.go:mcentral定义了central数据结构：
lock: 线程间互斥锁，防止多线程读写冲突
spanclass : 每个mcentral管理着一组有相同class的span列表
nonempty: 指还有内存可用的span列表
empty: 指没有内存可用的span列表
nmalloc: 指累计分配的对象个数线程从central获取span步骤如下：
将span归还步骤如下：
从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。src/runtime/mheap.go:mheap定义了heap的数据结构：
lock： 互斥锁
spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系
bitmap：bitmap的起始地址
arena_start: arena区域首地址
arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址
central: 每种class对应的两个mcentral
从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。mheap内存管理示意图如下：
系统预分配的内存分为spans、bitmap、arean三个区域，通过mheap管理起来。接下来看内存分配过程。
针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：
(0, 16B) 且不包含指针的对象： Tiny分配
(0, 16B) 包含指针的对象：正常分配
[16B, 32KB] : 正常分配
(32KB, -) : 大对象分配其中Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。
以申请size为n的内存为例，分配步骤如下：
Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。1、Golang程序启动时申请一大块内存并划分成spans、bitmap、arena区域
2、arena区域按页划分成一个个小块。
3、span管理一个或多个页。
4、mcentral管理多个span供线程申请使用
5、mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral。
对于mmap，您是否能从原理上解析以下三个问题：
要解决这些疑问，可能还需要在操作系统层面多了解。本文将尝试通过这些问题深入剖析，希望通过这篇文章，能使大家对mmap有较深入的认识，也能在存储引擎的设计中，有所参考。
最近在研发分布式日志存储系统，这是一个基于Raft协议的自研分布式日志存储系统，Logstore则是底层存储引擎。
Logstore中，使用mmap对数据文件进行读写。Logstore的存储结构简化如下图：
Logstore使用了Segments Files + Index Files的方式存储Log，Segment File是存储主体，用于存储Log数据，使用定长的方式，默认每个512M，Index File主要用于Segment File的内容检索。
Logstore使用mmap的方式读写Segment File，Segments Files的个数，主要取决于磁盘空间或者业务需求，一般情况下，Logstore会存储1T~5T的数据。
我们先看看什么是mmap。
在<<深入理解计算机系统>>这本书中，mmap定义为：Linux通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象(object)关联起来，以初始化这个虚拟内存区域的内容，这个过程称为内存映射(memory mapping)。
在Logstore中，mapping的对象是普通文件(Segment File)。
我们先来简单看一下mapping一个文件，mmap做了什么事情。如下图所示：
假设我们mmap的文件是FileA，在调用mmap之后，会在进程的虚拟内存分配地址空间，创建映射关系。
这里值得注意的是， mmap只是在虚拟内存分配了地址空间 ，举个例子，假设上述的FileA是2G大小
在mmap之后，查看mmap所在进程的maps描述，可以看到
由上可以看到，在mmap之后，进程的地址空间7f35eea8d000-7f366ea8d000被分配，并且map到FileA，7f366ea8d000减去7f35eea8d000，刚好是2147483648(ps: 这里是整个文件做mapping)
在Linux中，VM系统通过将虚拟内存分割为称作虚拟页(Virtual Page，VP)大小固定的块来处理磁盘(较低层)与上层数据的传输，一般情况下，每个页的大小默认是4096字节。同样的，物理内存也被分割为物理页(Physical Page，PP)，也为4096字节。
上述例子，在mmap之后，如下图：
在mmap之后，并没有在将文件内容加载到物理页上，只上在虚拟内存中分配了地址空间。当进程在访问这段地址时（通过mmap在写入或读取时FileA），若虚拟内存对应的page没有在物理内存中缓存，则产生"缺页"，由内核的缺页异常处理程序处理，将文件对应内容，以页为单位(4096)加载到物理内存，注意是只加载缺页，但也会受操作系统一些调度策略影响，加载的比所需的多，这里就不展开了。
(PS: 再具体一些，进程在访问7f35eea8d000这个进程虚拟地址时，MMU通过查找页表，发现对应内容未缓存在物理内存中，则产生"缺页")
缺页处理后，如下图：
我认为从原理上，mmap有两种类型，一种是有backend，一种是没有backend。
这种模式将普通文件做memory mapping(非MAP_ANONYMOUS)，所以在mmap系统调用时，需要传入文件的fd。这种模式常见的有两个常用的方式，MAP_SHARED与MAP_PRIVATE，但它们的行为却不相同。
1) MAP_SHARED
这个方式我认为可以从两个角度去看：
2) MAP_PRIVATE
这是一个copy-on-write的映射方式。虽然他也是有backend的，但在写入数据时，他会在物理内存copy一份数据出来(以页为单位)，而且这些数据是不会被回写到文件的。这里就要注意，因为更新的数据是一个副本，而且不会被回写，这就意味着如果程序运行时不主动释放，若更新的数据超过可用物理内存+swap space，就会遇到OOM Killer。
无backend通常是MAP_ANONYMOUS，就是将一个区域映射到一个匿名文件，匿名文件是由内核创建的。因为没有backend，写入/更新的数据之后，若不主动释放，这些占用的物理内存是不能被释放的，同样会出现OOM Killer。
到这里，这个问题就比较好解析了。我们可以将此问题分离为：
-- 虚拟内存是否会出问题：
回到上述的"mmap在进程虚拟内存做了什么"，我们知道mmap会在进程的虚拟内存中分配地址空间，比如1G的文件，则分配1G的连续地址空间。那究竟可以maping多少呢？在64位操作系统，寻址范围是2^64 ，除去一些内核、进程数据等地址段之外，基本上可以认为可以mapping无限大的数据(不太严谨的说法)。
-- 物理内存是否会出问题
回到上述"mmap的分类"，对于有backend的mmap，而且是能回写到文件的，映射比内存+swap空间大是没有问题的。但无法回写到文件的，需要非常注意，主动释放。
MAP_NORESERVE是mmap的一个参数，MAN的说明是"Do not reserve swap space for this mapping. When swap space is reserved, one has the guarantee that it is possible to modify the mapping."。
我们做个测试：
场景A：物理内存+swap space: 16G，映射文件30G，使用一个进程进行mmap，成功后映射后持续写入数据
场景B：物理内存+swap space: 16G，映射文件15G，使用两个进程进行mmap，成功后映射后持续写入数据
从上述测试可以看出，从现象上看，NORESERVE是绕过mmap的校验，让其可以mmap成功。但其实在RESERVE的情况下(序列4)，从测试结果看，也没有保障。
mmap的性能经常与系统调用（write/read）做对比。
我们将读写分开看，先尝试从原理上分析两者的差异，然后再通过测试验证。
我们先来简单讲讲write系统调用写文件的过程：
再来简单讲讲使用mmap时，写入文件流程：
系统调用会对性能有影响，那么从理论上分析:
下面我们对两者进行性能测试：
场景：对2G的文件进行顺序写入(go语言编写)
每次写入大小 | mmap 耗时 | write 耗时
--------------- | ------- | -------- | --------
| 1 byte | 22.14s | >300s
| 100 bytes | 2.84s | 22.86s
| 512 bytes | 2.51s | 5.43s
| 1024 bytes | 2.48s | 3.48s
| 2048 bytes | 2.47s | 2.34s
| 4096 bytes | 2.48s | 1.74s
| 8192 bytes | 2.45s | 1.67s
| 10240 bytes | 2.49s | 1.65s
可以看到mmap在100byte写入时已经基本达到最大写入性能，而write调用需要在4096(也就是一个page size)时，才能达到最大写入性能。
从测试结果可以看出，在写小数据时，mmap会比write调用快，但在写大数据时，反而没那么快(但不太确认是否go的slice copy的性能问题，没时间去测C了)。
测试结果与理论推导吻合。
我们还是来简单分析read调用与mmap的流程：
从图中可以看出，read调用确实比mmap多一次copy。因为read调用，进程是无法直接访问kernel space的，所以在read系统调用返回前，内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer。但mmap之后，进程可以直接访问mmap的数据(page cache)。
从原理上看，read性能会比mmap慢。
接下来实测一下性能区别：
场景：对2G的文件进行顺序读取(go语言编写)
(ps: 为了避免磁盘对测试的影响，我让2G文件都缓存在pagecache中)
每次读取大小 | mmap 耗时 | write 耗时
--------------- | ------- | -------- | --------
| 1 byte | 8215.4ms | >300s
| 100 bytes | 86.4ms | 8100.9ms
| 512 bytes | 16.14ms | 1851.45ms
| 1024 bytes | 8.11ms | 992.71ms
| 2048 bytes | 4.09ms | 636.85ms
| 4096 bytes | 2.07ms | 558.10ms
| 8192 bytes | 1.06ms | 444.83ms
| 10240 bytes | 867.88µs | 475.28ms
由上可以看出，在read上面，mmap比write的性能差别还是很大的。测试结果与理论推导吻合。
对mmap的深入了解，能帮助我们在设计存储系统时，更好地进行决策。
比如，假设需要设计一个底层的数据结构是B+ Tree，node操作以Page单位的单机存储引擎，根据上述推论，写入使用系统调用，而读取使用mmap，可以达到最优的性能。而LMDB就是如此实现的。
Go语言中没有“类”的概念，也不支持“类”的继承等面向对象的概念。Go语言中通过结构体的内嵌再配合接口比面向对象具有更高的扩展性和灵活性。
自定义类型
在Go语言中有一些基本的数据类型，如string、整型、浮点型、布尔等数据类型， Go语言中可以使用type关键字来定义自定义类型。
自定义类型是定义了一个全新的类型。我们可以基于内置的基本类型定义，也可以通过struct定义。例如：
通过Type关键字的定义，MyInt就是一种新的类型，它具有int的特性。
类型别名
类型别名是Go1.9版本添加的新功能。
类型别名规定：TypeAlias只是Type的别名，本质上TypeAlias与Type是同一个类型。就像一个孩子小时候有小名、乳名，上学后用学名，英语老师又会给他起英文名，但这些名字都指的是他本人。
type TypeAlias = Type
我们之前见过的rune和byte就是类型别名，他们的定义如下：
类型定义和类型别名的区别
类型别名与类型定义表面上看只有一个等号的差异，我们通过下面的这段代码来理解它们之间的区别。
结果显示a的类型是main.NewInt，表示main包下定义的NewInt类型。b的类型是int。MyInt类型只会在代码中存在，编译完成时并不会有MyInt类型。
Go语言中的基础数据类型可以表示一些事物的基本属性，但是当我们想表达一个事物的全部或部分属性时，这时候再用单一的基本数据类型明显就无法满足需求了，Go语言提供了一种自定义数据类型，可以封装多个基本数据类型，这种数据类型叫结构体，英文名称struct。 也就是我们可以通过struct来定义自己的类型了。
Go语言中通过struct来实现面向对象。
结构体的定义
使用type和struct关键字来定义结构体，具体代码格式如下：
其中：
举个例子，我们定义一个Person（人）结构体，代码如下：
同样类型的字段也可以写在一行，
这样我们就拥有了一个person的自定义类型，它有name、city、age三个字段，分别表示姓名、城市和年龄。这样我们使用这个person结构体就能够很方便的在程序中表示和存储人信息了。
语言内置的基础数据类型是用来描述一个值的，而结构体是用来描述一组值的。比如一个人有名字、年龄和居住城市等，本质上是一种聚合型的数据类型
结构体实例化
只有当结构体实例化时，才会真正地分配内存。也就是必须实例化后才能使用结构体的字段。
基本实例化
举个例子：
我们通过.来访问结构体的字段（成员变量）,例如p1.name和p1.age等。
匿名结构体
在定义一些临时数据结构等场景下还可以使用匿名结构体。
创建指针类型结构体
我们还可以通过使用new关键字对结构体进行实例化，得到的是结构体的地址。 格式如下：
从打印的结果中我们可以看出p2是一个结构体指针。
需要注意的是在Go语言中支持对结构体指针直接使用.来访问结构体的成员。
取结构体的地址实例化
使用&对结构体进行取地址操作相当于对该结构体类型进行了一次new实例化操作。
p3.name = "七米"其实在底层是(*p3).name = "七米"，这是Go语言帮我们实现的语法糖。
结构体初始化
没有初始化的结构体，其成员变量都是对应其类型的零值。
使用键值对初始化
使用键值对对结构体进行初始化时，键对应结构体的字段，值对应该字段的初始值。
也可以对结构体指针进行键值对初始化，例如：
当某些字段没有初始值的时候，该字段可以不写。此时，没有指定初始值的字段的值就是该字段类型的零值。
使用值的列表初始化
初始化结构体的时候可以简写，也就是初始化的时候不写键，直接写值：
使用这种格式初始化时，需要注意：
结构体内存布局
结构体占用一块连续的内存。
输出：
【进阶知识点】关于Go语言中的内存对齐推荐阅读:在 Go 中恰到好处的内存对齐
面试题
请问下面代码的执行结果是什么？
构造函数
Go语言的结构体没有构造函数，我们可以自己实现。 例如，下方的代码就实现了一个person的构造函数。 因为struct是值类型，如果结构体比较复杂的话，值拷贝性能开销会比较大，所以该构造函数返回的是结构体指针类型。
调用构造函数
方法和接收者
Go语言中的方法（Method）是一种作用于特定类型变量的函数。这种特定类型变量叫做接收者（Receiver）。接收者的概念就类似于其他语言中的this或者 self。
方法的定义格式如下：
其中，
举个例子：
方法与函数的区别是，函数不属于任何类型，方法属于特定的类型。
指针类型的接收者
指针类型的接收者由一个结构体的指针组成，由于指针的特性，调用方法时修改接收者指针的任意成员变量，在方法结束后，修改都是有效的。这种方式就十分接近于其他语言中面向对象中的this或者self。 例如我们为Person添加一个SetAge方法，来修改实例变量的年龄。
调用该方法：
值类型的接收者
当方法作用于值类型接收者时，Go语言会在代码运行时将接收者的值复制一份。在值类型接收者的方法中可以获取接收者的成员值，但修改操作只是针对副本，无法修改接收者变量本身。
什么时候应该使用指针类型接收者
任意类型添加方法
在Go语言中，接收者的类型可以是任何类型，不仅仅是结构体，任何类型都可以拥有方法。 举个例子，我们基于内置的int类型使用type关键字可以定义新的自定义类型，然后为我们的自定义类型添加方法。
注意事项： 非本地类型不能定义方法，也就是说我们不能给别的包的类型定义方法。
结构体的匿名字段
匿名字段默认采用类型名作为字段名，结构体要求字段名称必须唯一，因此一个结构体中同种类型的匿名字段只能有一个。
嵌套结构体
一个结构体中可以嵌套包含另一个结构体或结构体指针。
嵌套匿名结构体
当访问结构体成员时会先在结构体中查找该字段，找不到再去匿名结构体中查找。
嵌套结构体的字段名冲突
嵌套结构体内部可能存在相同的字段名。这个时候为了避免歧义需要指定具体的内嵌结构体的字段。
结构体的“继承”
Go语言中使用结构体也可以实现其他编程语言中面向对象的继承。
结构体字段的可见性
结构体中字段大写开头表示可公开访问，小写表示私有（仅在定义当前结构体的包中可访问）。
结构体与JSON序列化
JSON(JavaScript Object Notation) 是一种轻量级的数据交换格式。易于人阅读和编写。同时也易于机器解析和生成。JSON键值对是用来保存JS对象的一种方式，键/值对组合中的键名写在前面并用双引号""包裹，使用冒号:分隔，然后紧接着值；多个键值之间使用英文,分隔。
结构体标签（Tag）
Tag是结构体的元信息，可以在运行的时候通过反射的机制读取出来。 Tag在结构体字段的后方定义，由一对反引号包裹起来，具体的格式如下：
`key1:"value1" key2:"value2"`
结构体标签由一个或多个键值对组成。键与值使用冒号分隔，值用双引号括起来。键值对之间使用一个空格分隔。 注意事项： 为结构体编写Tag时，必须严格遵守键值对的规则。结构体标签的解析代码的容错能力很差，一旦格式写错，编译和运行时都不会提示任何错误，通过反射也无法正确取值。例如不要在key和value之间添加空格。
例如我们为Student结构体的每个字段定义json序列化时使用的Tag：
