]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/malloc.go
internal/abi: refactor (basic) type struct into one definition
[gostls13.git] / src / runtime / malloc.go
1 // Copyright 2014 The Go Authors. All rights reserved.
2 // Use of this source code is governed by a BSD-style
3 // license that can be found in the LICENSE file.
4
5 // Memory allocator.
6 //
7 // This was originally based on tcmalloc, but has diverged quite a bit.
8 // http://goog-perftools.sourceforge.net/doc/tcmalloc.html
9
10 // The main allocator works in runs of pages.
11 // Small allocation sizes (up to and including 32 kB) are
12 // rounded to one of about 70 size classes, each of which
13 // has its own free set of objects of exactly that size.
14 // Any free page of memory can be split into a set of objects
15 // of one size class, which are then managed using a free bitmap.
16 //
17 // The allocator's data structures are:
18 //
19 //      fixalloc: a free-list allocator for fixed-size off-heap objects,
20 //              used to manage storage used by the allocator.
21 //      mheap: the malloc heap, managed at page (8192-byte) granularity.
22 //      mspan: a run of in-use pages managed by the mheap.
23 //      mcentral: collects all spans of a given size class.
24 //      mcache: a per-P cache of mspans with free space.
25 //      mstats: allocation statistics.
26 //
27 // Allocating a small object proceeds up a hierarchy of caches:
28 //
29 //      1. Round the size up to one of the small size classes
30 //         and look in the corresponding mspan in this P's mcache.
31 //         Scan the mspan's free bitmap to find a free slot.
32 //         If there is a free slot, allocate it.
33 //         This can all be done without acquiring a lock.
34 //
35 //      2. If the mspan has no free slots, obtain a new mspan
36 //         from the mcentral's list of mspans of the required size
37 //         class that have free space.
38 //         Obtaining a whole span amortizes the cost of locking
39 //         the mcentral.
40 //
41 //      3. If the mcentral's mspan list is empty, obtain a run
42 //         of pages from the mheap to use for the mspan.
43 //
44 //      4. If the mheap is empty or has no page runs large enough,
45 //         allocate a new group of pages (at least 1MB) from the
46 //         operating system. Allocating a large run of pages
47 //         amortizes the cost of talking to the operating system.
48 //
49 // Sweeping an mspan and freeing objects on it proceeds up a similar
50 // hierarchy:
51 //
52 //      1. If the mspan is being swept in response to allocation, it
53 //         is returned to the mcache to satisfy the allocation.
54 //
55 //      2. Otherwise, if the mspan still has allocated objects in it,
56 //         it is placed on the mcentral free list for the mspan's size
57 //         class.
58 //
59 //      3. Otherwise, if all objects in the mspan are free, the mspan's
60 //         pages are returned to the mheap and the mspan is now dead.
61 //
62 // Allocating and freeing a large object uses the mheap
63 // directly, bypassing the mcache and mcentral.
64 //
65 // If mspan.needzero is false, then free object slots in the mspan are
66 // already zeroed. Otherwise if needzero is true, objects are zeroed as
67 // they are allocated. There are various benefits to delaying zeroing
68 // this way:
69 //
70 //      1. Stack frame allocation can avoid zeroing altogether.
71 //
72 //      2. It exhibits better temporal locality, since the program is
73 //         probably about to write to the memory.
74 //
75 //      3. We don't zero pages that never get reused.
76
77 // Virtual memory layout
78 //
79 // The heap consists of a set of arenas, which are 64MB on 64-bit and
80 // 4MB on 32-bit (heapArenaBytes). Each arena's start address is also
81 // aligned to the arena size.
82 //
83 // Each arena has an associated heapArena object that stores the
84 // metadata for that arena: the heap bitmap for all words in the arena
85 // and the span map for all pages in the arena. heapArena objects are
86 // themselves allocated off-heap.
87 //
88 // Since arenas are aligned, the address space can be viewed as a
89 // series of arena frames. The arena map (mheap_.arenas) maps from
90 // arena frame number to *heapArena, or nil for parts of the address
91 // space not backed by the Go heap. The arena map is structured as a
92 // two-level array consisting of a "L1" arena map and many "L2" arena
93 // maps; however, since arenas are large, on many architectures, the
94 // arena map consists of a single, large L2 map.
95 //
96 // The arena map covers the entire possible address space, allowing
97 // the Go heap to use any part of the address space. The allocator
98 // attempts to keep arenas contiguous so that large spans (and hence
99 // large objects) can cross arenas.
100
101 package runtime
102
103 import (
104         "internal/goarch"
105         "internal/goos"
106         "runtime/internal/atomic"
107         "runtime/internal/math"
108         "runtime/internal/sys"
109         "unsafe"
110 )
111
112 const (
113         maxTinySize   = _TinySize
114         tinySizeClass = _TinySizeClass
115         maxSmallSize  = _MaxSmallSize
116
117         pageShift = _PageShift
118         pageSize  = _PageSize
119
120         concurrentSweep = _ConcurrentSweep
121
122         _PageSize = 1 << _PageShift
123         _PageMask = _PageSize - 1
124
125         // _64bit = 1 on 64-bit systems, 0 on 32-bit systems
126         _64bit = 1 << (^uintptr(0) >> 63) / 2
127
128         // Tiny allocator parameters, see "Tiny allocator" comment in malloc.go.
129         _TinySize      = 16
130         _TinySizeClass = int8(2)
131
132         _FixAllocChunk = 16 << 10 // Chunk size for FixAlloc
133
134         // Per-P, per order stack segment cache size.
135         _StackCacheSize = 32 * 1024
136
137         // Number of orders that get caching. Order 0 is FixedStack
138         // and each successive order is twice as large.
139         // We want to cache 2KB, 4KB, 8KB, and 16KB stacks. Larger stacks
140         // will be allocated directly.
141         // Since FixedStack is different on different systems, we
142         // must vary NumStackOrders to keep the same maximum cached size.
143         //   OS               | FixedStack | NumStackOrders
144         //   -----------------+------------+---------------
145         //   linux/darwin/bsd | 2KB        | 4
146         //   windows/32       | 4KB        | 3
147         //   windows/64       | 8KB        | 2
148         //   plan9            | 4KB        | 3
149         _NumStackOrders = 4 - goarch.PtrSize/4*goos.IsWindows - 1*goos.IsPlan9
150
151         // heapAddrBits is the number of bits in a heap address. On
152         // amd64, addresses are sign-extended beyond heapAddrBits. On
153         // other arches, they are zero-extended.
154         //
155         // On most 64-bit platforms, we limit this to 48 bits based on a
156         // combination of hardware and OS limitations.
157         //
158         // amd64 hardware limits addresses to 48 bits, sign-extended
159         // to 64 bits. Addresses where the top 16 bits are not either
160         // all 0 or all 1 are "non-canonical" and invalid. Because of
161         // these "negative" addresses, we offset addresses by 1<<47
162         // (arenaBaseOffset) on amd64 before computing indexes into
163         // the heap arenas index. In 2017, amd64 hardware added
164         // support for 57 bit addresses; however, currently only Linux
165         // supports this extension and the kernel will never choose an
166         // address above 1<<47 unless mmap is called with a hint
167         // address above 1<<47 (which we never do).
168         //
169         // arm64 hardware (as of ARMv8) limits user addresses to 48
170         // bits, in the range [0, 1<<48).
171         //
172         // ppc64, mips64, and s390x support arbitrary 64 bit addresses
173         // in hardware. On Linux, Go leans on stricter OS limits. Based
174         // on Linux's processor.h, the user address space is limited as
175         // follows on 64-bit architectures:
176         //
177         // Architecture  Name              Maximum Value (exclusive)
178         // ---------------------------------------------------------------------
179         // amd64         TASK_SIZE_MAX     0x007ffffffff000 (47 bit addresses)
180         // arm64         TASK_SIZE_64      0x01000000000000 (48 bit addresses)
181         // ppc64{,le}    TASK_SIZE_USER64  0x00400000000000 (46 bit addresses)
182         // mips64{,le}   TASK_SIZE64       0x00010000000000 (40 bit addresses)
183         // s390x         TASK_SIZE         1<<64 (64 bit addresses)
184         //
185         // These limits may increase over time, but are currently at
186         // most 48 bits except on s390x. On all architectures, Linux
187         // starts placing mmap'd regions at addresses that are
188         // significantly below 48 bits, so even if it's possible to
189         // exceed Go's 48 bit limit, it's extremely unlikely in
190         // practice.
191         //
192         // On 32-bit platforms, we accept the full 32-bit address
193         // space because doing so is cheap.
194         // mips32 only has access to the low 2GB of virtual memory, so
195         // we further limit it to 31 bits.
196         //
197         // On ios/arm64, although 64-bit pointers are presumably
198         // available, pointers are truncated to 33 bits in iOS <14.
199         // Furthermore, only the top 4 GiB of the address space are
200         // actually available to the application. In iOS >=14, more
201         // of the address space is available, and the OS can now
202         // provide addresses outside of those 33 bits. Pick 40 bits
203         // as a reasonable balance between address space usage by the
204         // page allocator, and flexibility for what mmap'd regions
205         // we'll accept for the heap. We can't just move to the full
206         // 48 bits because this uses too much address space for older
207         // iOS versions.
208         // TODO(mknyszek): Once iOS <14 is deprecated, promote ios/arm64
209         // to a 48-bit address space like every other arm64 platform.
210         //
211         // WebAssembly currently has a limit of 4GB linear memory.
212         heapAddrBits = (_64bit*(1-goarch.IsWasm)*(1-goos.IsIos*goarch.IsArm64))*48 + (1-_64bit+goarch.IsWasm)*(32-(goarch.IsMips+goarch.IsMipsle)) + 40*goos.IsIos*goarch.IsArm64
213
214         // maxAlloc is the maximum size of an allocation. On 64-bit,
215         // it's theoretically possible to allocate 1<<heapAddrBits bytes. On
216         // 32-bit, however, this is one less than 1<<32 because the
217         // number of bytes in the address space doesn't actually fit
218         // in a uintptr.
219         maxAlloc = (1 << heapAddrBits) - (1-_64bit)*1
220
221         // The number of bits in a heap address, the size of heap
222         // arenas, and the L1 and L2 arena map sizes are related by
223         //
224         //   (1 << addr bits) = arena size * L1 entries * L2 entries
225         //
226         // Currently, we balance these as follows:
227         //
228         //       Platform  Addr bits  Arena size  L1 entries   L2 entries
229         // --------------  ---------  ----------  ----------  -----------
230         //       */64-bit         48        64MB           1    4M (32MB)
231         // windows/64-bit         48         4MB          64    1M  (8MB)
232         //      ios/arm64         33         4MB           1  2048  (8KB)
233         //       */32-bit         32         4MB           1  1024  (4KB)
234         //     */mips(le)         31         4MB           1   512  (2KB)
235
236         // heapArenaBytes is the size of a heap arena. The heap
237         // consists of mappings of size heapArenaBytes, aligned to
238         // heapArenaBytes. The initial heap mapping is one arena.
239         //
240         // This is currently 64MB on 64-bit non-Windows and 4MB on
241         // 32-bit and on Windows. We use smaller arenas on Windows
242         // because all committed memory is charged to the process,
243         // even if it's not touched. Hence, for processes with small
244         // heaps, the mapped arena space needs to be commensurate.
245         // This is particularly important with the race detector,
246         // since it significantly amplifies the cost of committed
247         // memory.
248         heapArenaBytes = 1 << logHeapArenaBytes
249
250         heapArenaWords = heapArenaBytes / goarch.PtrSize
251
252         // logHeapArenaBytes is log_2 of heapArenaBytes. For clarity,
253         // prefer using heapArenaBytes where possible (we need the
254         // constant to compute some other constants).
255         logHeapArenaBytes = (6+20)*(_64bit*(1-goos.IsWindows)*(1-goarch.IsWasm)*(1-goos.IsIos*goarch.IsArm64)) + (2+20)*(_64bit*goos.IsWindows) + (2+20)*(1-_64bit) + (2+20)*goarch.IsWasm + (2+20)*goos.IsIos*goarch.IsArm64
256
257         // heapArenaBitmapWords is the size of each heap arena's bitmap in uintptrs.
258         heapArenaBitmapWords = heapArenaWords / (8 * goarch.PtrSize)
259
260         pagesPerArena = heapArenaBytes / pageSize
261
262         // arenaL1Bits is the number of bits of the arena number
263         // covered by the first level arena map.
264         //
265         // This number should be small, since the first level arena
266         // map requires PtrSize*(1<<arenaL1Bits) of space in the
267         // binary's BSS. It can be zero, in which case the first level
268         // index is effectively unused. There is a performance benefit
269         // to this, since the generated code can be more efficient,
270         // but comes at the cost of having a large L2 mapping.
271         //
272         // We use the L1 map on 64-bit Windows because the arena size
273         // is small, but the address space is still 48 bits, and
274         // there's a high cost to having a large L2.
275         arenaL1Bits = 6 * (_64bit * goos.IsWindows)
276
277         // arenaL2Bits is the number of bits of the arena number
278         // covered by the second level arena index.
279         //
280         // The size of each arena map allocation is proportional to
281         // 1<<arenaL2Bits, so it's important that this not be too
282         // large. 48 bits leads to 32MB arena index allocations, which
283         // is about the practical threshold.
284         arenaL2Bits = heapAddrBits - logHeapArenaBytes - arenaL1Bits
285
286         // arenaL1Shift is the number of bits to shift an arena frame
287         // number by to compute an index into the first level arena map.
288         arenaL1Shift = arenaL2Bits
289
290         // arenaBits is the total bits in a combined arena map index.
291         // This is split between the index into the L1 arena map and
292         // the L2 arena map.
293         arenaBits = arenaL1Bits + arenaL2Bits
294
295         // arenaBaseOffset is the pointer value that corresponds to
296         // index 0 in the heap arena map.
297         //
298         // On amd64, the address space is 48 bits, sign extended to 64
299         // bits. This offset lets us handle "negative" addresses (or
300         // high addresses if viewed as unsigned).
301         //
302         // On aix/ppc64, this offset allows to keep the heapAddrBits to
303         // 48. Otherwise, it would be 60 in order to handle mmap addresses
304         // (in range 0x0a00000000000000 - 0x0afffffffffffff). But in this
305         // case, the memory reserved in (s *pageAlloc).init for chunks
306         // is causing important slowdowns.
307         //
308         // On other platforms, the user address space is contiguous
309         // and starts at 0, so no offset is necessary.
310         arenaBaseOffset = 0xffff800000000000*goarch.IsAmd64 + 0x0a00000000000000*goos.IsAix
311         // A typed version of this constant that will make it into DWARF (for viewcore).
312         arenaBaseOffsetUintptr = uintptr(arenaBaseOffset)
313
314         // Max number of threads to run garbage collection.
315         // 2, 3, and 4 are all plausible maximums depending
316         // on the hardware details of the machine. The garbage
317         // collector scales well to 32 cpus.
318         _MaxGcproc = 32
319
320         // minLegalPointer is the smallest possible legal pointer.
321         // This is the smallest possible architectural page size,
322         // since we assume that the first page is never mapped.
323         //
324         // This should agree with minZeroPage in the compiler.
325         minLegalPointer uintptr = 4096
326
327         // minHeapForMetadataHugePages sets a threshold on when certain kinds of
328         // heap metadata, currently the arenas map L2 entries and page alloc bitmap
329         // mappings, are allowed to be backed by huge pages. If the heap goal ever
330         // exceeds this threshold, then huge pages are enabled.
331         //
332         // These numbers are chosen with the assumption that huge pages are on the
333         // order of a few MiB in size.
334         //
335         // The kind of metadata this applies to has a very low overhead when compared
336         // to address space used, but their constant overheads for small heaps would
337         // be very high if they were to be backed by huge pages (e.g. a few MiB makes
338         // a huge difference for an 8 MiB heap, but barely any difference for a 1 GiB
339         // heap). The benefit of huge pages is also not worth it for small heaps,
340         // because only a very, very small part of the metadata is used for small heaps.
341         //
342         // N.B. If the heap goal exceeds the threshold then shrinks to a very small size
343         // again, then huge pages will still be enabled for this mapping. The reason is that
344         // there's no point unless we're also returning the physical memory for these
345         // metadata mappings back to the OS. That would be quite complex to do in general
346         // as the heap is likely fragmented after a reduction in heap size.
347         minHeapForMetadataHugePages = 1 << 30
348 )
349
350 // physPageSize is the size in bytes of the OS's physical pages.
351 // Mapping and unmapping operations must be done at multiples of
352 // physPageSize.
353 //
354 // This must be set by the OS init code (typically in osinit) before
355 // mallocinit.
356 var physPageSize uintptr
357
358 // physHugePageSize is the size in bytes of the OS's default physical huge
359 // page size whose allocation is opaque to the application. It is assumed
360 // and verified to be a power of two.
361 //
362 // If set, this must be set by the OS init code (typically in osinit) before
363 // mallocinit. However, setting it at all is optional, and leaving the default
364 // value is always safe (though potentially less efficient).
365 //
366 // Since physHugePageSize is always assumed to be a power of two,
367 // physHugePageShift is defined as physHugePageSize == 1 << physHugePageShift.
368 // The purpose of physHugePageShift is to avoid doing divisions in
369 // performance critical functions.
370 var (
371         physHugePageSize  uintptr
372         physHugePageShift uint
373 )
374
375 func mallocinit() {
376         if class_to_size[_TinySizeClass] != _TinySize {
377                 throw("bad TinySizeClass")
378         }
379
380         if heapArenaBitmapWords&(heapArenaBitmapWords-1) != 0 {
381                 // heapBits expects modular arithmetic on bitmap
382                 // addresses to work.
383                 throw("heapArenaBitmapWords not a power of 2")
384         }
385
386         // Check physPageSize.
387         if physPageSize == 0 {
388                 // The OS init code failed to fetch the physical page size.
389                 throw("failed to get system page size")
390         }
391         if physPageSize > maxPhysPageSize {
392                 print("system page size (", physPageSize, ") is larger than maximum page size (", maxPhysPageSize, ")\n")
393                 throw("bad system page size")
394         }
395         if physPageSize < minPhysPageSize {
396                 print("system page size (", physPageSize, ") is smaller than minimum page size (", minPhysPageSize, ")\n")
397                 throw("bad system page size")
398         }
399         if physPageSize&(physPageSize-1) != 0 {
400                 print("system page size (", physPageSize, ") must be a power of 2\n")
401                 throw("bad system page size")
402         }
403         if physHugePageSize&(physHugePageSize-1) != 0 {
404                 print("system huge page size (", physHugePageSize, ") must be a power of 2\n")
405                 throw("bad system huge page size")
406         }
407         if physHugePageSize > maxPhysHugePageSize {
408                 // physHugePageSize is greater than the maximum supported huge page size.
409                 // Don't throw here, like in the other cases, since a system configured
410                 // in this way isn't wrong, we just don't have the code to support them.
411                 // Instead, silently set the huge page size to zero.
412                 physHugePageSize = 0
413         }
414         if physHugePageSize != 0 {
415                 // Since physHugePageSize is a power of 2, it suffices to increase
416                 // physHugePageShift until 1<<physHugePageShift == physHugePageSize.
417                 for 1<<physHugePageShift != physHugePageSize {
418                         physHugePageShift++
419                 }
420         }
421         if pagesPerArena%pagesPerSpanRoot != 0 {
422                 print("pagesPerArena (", pagesPerArena, ") is not divisible by pagesPerSpanRoot (", pagesPerSpanRoot, ")\n")
423                 throw("bad pagesPerSpanRoot")
424         }
425         if pagesPerArena%pagesPerReclaimerChunk != 0 {
426                 print("pagesPerArena (", pagesPerArena, ") is not divisible by pagesPerReclaimerChunk (", pagesPerReclaimerChunk, ")\n")
427                 throw("bad pagesPerReclaimerChunk")
428         }
429
430         if minTagBits > taggedPointerBits {
431                 throw("taggedPointerbits too small")
432         }
433
434         // Initialize the heap.
435         mheap_.init()
436         mcache0 = allocmcache()
437         lockInit(&gcBitsArenas.lock, lockRankGcBitsArenas)
438         lockInit(&profInsertLock, lockRankProfInsert)
439         lockInit(&profBlockLock, lockRankProfBlock)
440         lockInit(&profMemActiveLock, lockRankProfMemActive)
441         for i := range profMemFutureLock {
442                 lockInit(&profMemFutureLock[i], lockRankProfMemFuture)
443         }
444         lockInit(&globalAlloc.mutex, lockRankGlobalAlloc)
445
446         // Create initial arena growth hints.
447         if goarch.PtrSize == 8 {
448                 // On a 64-bit machine, we pick the following hints
449                 // because:
450                 //
451                 // 1. Starting from the middle of the address space
452                 // makes it easier to grow out a contiguous range
453                 // without running in to some other mapping.
454                 //
455                 // 2. This makes Go heap addresses more easily
456                 // recognizable when debugging.
457                 //
458                 // 3. Stack scanning in gccgo is still conservative,
459                 // so it's important that addresses be distinguishable
460                 // from other data.
461                 //
462                 // Starting at 0x00c0 means that the valid memory addresses
463                 // will begin 0x00c0, 0x00c1, ...
464                 // In little-endian, that's c0 00, c1 00, ... None of those are valid
465                 // UTF-8 sequences, and they are otherwise as far away from
466                 // ff (likely a common byte) as possible. If that fails, we try other 0xXXc0
467                 // addresses. An earlier attempt to use 0x11f8 caused out of memory errors
468                 // on OS X during thread allocations.  0x00c0 causes conflicts with
469                 // AddressSanitizer which reserves all memory up to 0x0100.
470                 // These choices reduce the odds of a conservative garbage collector
471                 // not collecting memory because some non-pointer block of memory
472                 // had a bit pattern that matched a memory address.
473                 //
474                 // However, on arm64, we ignore all this advice above and slam the
475                 // allocation at 0x40 << 32 because when using 4k pages with 3-level
476                 // translation buffers, the user address space is limited to 39 bits
477                 // On ios/arm64, the address space is even smaller.
478                 //
479                 // On AIX, mmaps starts at 0x0A00000000000000 for 64-bit.
480                 // processes.
481                 //
482                 // Space mapped for user arenas comes immediately after the range
483                 // originally reserved for the regular heap when race mode is not
484                 // enabled because user arena chunks can never be used for regular heap
485                 // allocations and we want to avoid fragmenting the address space.
486                 //
487                 // In race mode we have no choice but to just use the same hints because
488                 // the race detector requires that the heap be mapped contiguously.
489                 for i := 0x7f; i >= 0; i-- {
490                         var p uintptr
491                         switch {
492                         case raceenabled:
493                                 // The TSAN runtime requires the heap
494                                 // to be in the range [0x00c000000000,
495                                 // 0x00e000000000).
496                                 p = uintptr(i)<<32 | uintptrMask&(0x00c0<<32)
497                                 if p >= uintptrMask&0x00e000000000 {
498                                         continue
499                                 }
500                         case GOARCH == "arm64" && GOOS == "ios":
501                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x0013<<28)
502                         case GOARCH == "arm64":
503                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x0040<<32)
504                         case GOOS == "aix":
505                                 if i == 0 {
506                                         // We don't use addresses directly after 0x0A00000000000000
507                                         // to avoid collisions with others mmaps done by non-go programs.
508                                         continue
509                                 }
510                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0xa0<<52)
511                         default:
512                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x00c0<<32)
513                         }
514                         // Switch to generating hints for user arenas if we've gone
515                         // through about half the hints. In race mode, take only about
516                         // a quarter; we don't have very much space to work with.
517                         hintList := &mheap_.arenaHints
518                         if (!raceenabled && i > 0x3f) || (raceenabled && i > 0x5f) {
519                                 hintList = &mheap_.userArena.arenaHints
520                         }
521                         hint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
522                         hint.addr = p
523                         hint.next, *hintList = *hintList, hint
524                 }
525         } else {
526                 // On a 32-bit machine, we're much more concerned
527                 // about keeping the usable heap contiguous.
528                 // Hence:
529                 //
530                 // 1. We reserve space for all heapArenas up front so
531                 // they don't get interleaved with the heap. They're
532                 // ~258MB, so this isn't too bad. (We could reserve a
533                 // smaller amount of space up front if this is a
534                 // problem.)
535                 //
536                 // 2. We hint the heap to start right above the end of
537                 // the binary so we have the best chance of keeping it
538                 // contiguous.
539                 //
540                 // 3. We try to stake out a reasonably large initial
541                 // heap reservation.
542
543                 const arenaMetaSize = (1 << arenaBits) * unsafe.Sizeof(heapArena{})
544                 meta := uintptr(sysReserve(nil, arenaMetaSize))
545                 if meta != 0 {
546                         mheap_.heapArenaAlloc.init(meta, arenaMetaSize, true)
547                 }
548
549                 // We want to start the arena low, but if we're linked
550                 // against C code, it's possible global constructors
551                 // have called malloc and adjusted the process' brk.
552                 // Query the brk so we can avoid trying to map the
553                 // region over it (which will cause the kernel to put
554                 // the region somewhere else, likely at a high
555                 // address).
556                 procBrk := sbrk0()
557
558                 // If we ask for the end of the data segment but the
559                 // operating system requires a little more space
560                 // before we can start allocating, it will give out a
561                 // slightly higher pointer. Except QEMU, which is
562                 // buggy, as usual: it won't adjust the pointer
563                 // upward. So adjust it upward a little bit ourselves:
564                 // 1/4 MB to get away from the running binary image.
565                 p := firstmoduledata.end
566                 if p < procBrk {
567                         p = procBrk
568                 }
569                 if mheap_.heapArenaAlloc.next <= p && p < mheap_.heapArenaAlloc.end {
570                         p = mheap_.heapArenaAlloc.end
571                 }
572                 p = alignUp(p+(256<<10), heapArenaBytes)
573                 // Because we're worried about fragmentation on
574                 // 32-bit, we try to make a large initial reservation.
575                 arenaSizes := []uintptr{
576                         512 << 20,
577                         256 << 20,
578                         128 << 20,
579                 }
580                 for _, arenaSize := range arenaSizes {
581                         a, size := sysReserveAligned(unsafe.Pointer(p), arenaSize, heapArenaBytes)
582                         if a != nil {
583                                 mheap_.arena.init(uintptr(a), size, false)
584                                 p = mheap_.arena.end // For hint below
585                                 break
586                         }
587                 }
588                 hint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
589                 hint.addr = p
590                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
591
592                 // Place the hint for user arenas just after the large reservation.
593                 //
594                 // While this potentially competes with the hint above, in practice we probably
595                 // aren't going to be getting this far anyway on 32-bit platforms.
596                 userArenaHint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
597                 userArenaHint.addr = p
598                 userArenaHint.next, mheap_.userArena.arenaHints = mheap_.userArena.arenaHints, userArenaHint
599         }
600         // Initialize the memory limit here because the allocator is going to look at it
601         // but we haven't called gcinit yet and we're definitely going to allocate memory before then.
602         gcController.memoryLimit.Store(maxInt64)
603 }
604
605 // sysAlloc allocates heap arena space for at least n bytes. The
606 // returned pointer is always heapArenaBytes-aligned and backed by
607 // h.arenas metadata. The returned size is always a multiple of
608 // heapArenaBytes. sysAlloc returns nil on failure.
609 // There is no corresponding free function.
610 //
611 // hintList is a list of hint addresses for where to allocate new
612 // heap arenas. It must be non-nil.
613 //
614 // register indicates whether the heap arena should be registered
615 // in allArenas.
616 //
617 // sysAlloc returns a memory region in the Reserved state. This region must
618 // be transitioned to Prepared and then Ready before use.
619 //
620 // h must be locked.
621 func (h *mheap) sysAlloc(n uintptr, hintList **arenaHint, register bool) (v unsafe.Pointer, size uintptr) {
622         assertLockHeld(&h.lock)
623
624         n = alignUp(n, heapArenaBytes)
625
626         if hintList == &h.arenaHints {
627                 // First, try the arena pre-reservation.
628                 // Newly-used mappings are considered released.
629                 //
630                 // Only do this if we're using the regular heap arena hints.
631                 // This behavior is only for the heap.
632                 v = h.arena.alloc(n, heapArenaBytes, &gcController.heapReleased)
633                 if v != nil {
634                         size = n
635                         goto mapped
636                 }
637         }
638
639         // Try to grow the heap at a hint address.
640         for *hintList != nil {
641                 hint := *hintList
642                 p := hint.addr
643                 if hint.down {
644                         p -= n
645                 }
646                 if p+n < p {
647                         // We can't use this, so don't ask.
648                         v = nil
649                 } else if arenaIndex(p+n-1) >= 1<<arenaBits {
650                         // Outside addressable heap. Can't use.
651                         v = nil
652                 } else {
653                         v = sysReserve(unsafe.Pointer(p), n)
654                 }
655                 if p == uintptr(v) {
656                         // Success. Update the hint.
657                         if !hint.down {
658                                 p += n
659                         }
660                         hint.addr = p
661                         size = n
662                         break
663                 }
664                 // Failed. Discard this hint and try the next.
665                 //
666                 // TODO: This would be cleaner if sysReserve could be
667                 // told to only return the requested address. In
668                 // particular, this is already how Windows behaves, so
669                 // it would simplify things there.
670                 if v != nil {
671                         sysFreeOS(v, n)
672                 }
673                 *hintList = hint.next
674                 h.arenaHintAlloc.free(unsafe.Pointer(hint))
675         }
676
677         if size == 0 {
678                 if raceenabled {
679                         // The race detector assumes the heap lives in
680                         // [0x00c000000000, 0x00e000000000), but we
681                         // just ran out of hints in this region. Give
682                         // a nice failure.
683                         throw("too many address space collisions for -race mode")
684                 }
685
686                 // All of the hints failed, so we'll take any
687                 // (sufficiently aligned) address the kernel will give
688                 // us.
689                 v, size = sysReserveAligned(nil, n, heapArenaBytes)
690                 if v == nil {
691                         return nil, 0
692                 }
693
694                 // Create new hints for extending this region.
695                 hint := (*arenaHint)(h.arenaHintAlloc.alloc())
696                 hint.addr, hint.down = uintptr(v), true
697                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
698                 hint = (*arenaHint)(h.arenaHintAlloc.alloc())
699                 hint.addr = uintptr(v) + size
700                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
701         }
702
703         // Check for bad pointers or pointers we can't use.
704         {
705                 var bad string
706                 p := uintptr(v)
707                 if p+size < p {
708                         bad = "region exceeds uintptr range"
709                 } else if arenaIndex(p) >= 1<<arenaBits {
710                         bad = "base outside usable address space"
711                 } else if arenaIndex(p+size-1) >= 1<<arenaBits {
712                         bad = "end outside usable address space"
713                 }
714                 if bad != "" {
715                         // This should be impossible on most architectures,
716                         // but it would be really confusing to debug.
717                         print("runtime: memory allocated by OS [", hex(p), ", ", hex(p+size), ") not in usable address space: ", bad, "\n")
718                         throw("memory reservation exceeds address space limit")
719                 }
720         }
721
722         if uintptr(v)&(heapArenaBytes-1) != 0 {
723                 throw("misrounded allocation in sysAlloc")
724         }
725
726 mapped:
727         // Create arena metadata.
728         for ri := arenaIndex(uintptr(v)); ri <= arenaIndex(uintptr(v)+size-1); ri++ {
729                 l2 := h.arenas[ri.l1()]
730                 if l2 == nil {
731                         // Allocate an L2 arena map.
732                         //
733                         // Use sysAllocOS instead of sysAlloc or persistentalloc because there's no
734                         // statistic we can comfortably account for this space in. With this structure,
735                         // we rely on demand paging to avoid large overheads, but tracking which memory
736                         // is paged in is too expensive. Trying to account for the whole region means
737                         // that it will appear like an enormous memory overhead in statistics, even though
738                         // it is not.
739                         l2 = (*[1 << arenaL2Bits]*heapArena)(sysAllocOS(unsafe.Sizeof(*l2)))
740                         if l2 == nil {
741                                 throw("out of memory allocating heap arena map")
742                         }
743                         if h.arenasHugePages {
744                                 sysHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
745                         } else {
746                                 sysNoHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
747                         }
748                         atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&h.arenas[ri.l1()]), unsafe.Pointer(l2))
749                 }
750
751                 if l2[ri.l2()] != nil {
752                         throw("arena already initialized")
753                 }
754                 var r *heapArena
755                 r = (*heapArena)(h.heapArenaAlloc.alloc(unsafe.Sizeof(*r), goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
756                 if r == nil {
757                         r = (*heapArena)(persistentalloc(unsafe.Sizeof(*r), goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
758                         if r == nil {
759                                 throw("out of memory allocating heap arena metadata")
760                         }
761                 }
762
763                 // Register the arena in allArenas if requested.
764                 if register {
765                         if len(h.allArenas) == cap(h.allArenas) {
766                                 size := 2 * uintptr(cap(h.allArenas)) * goarch.PtrSize
767                                 if size == 0 {
768                                         size = physPageSize
769                                 }
770                                 newArray := (*notInHeap)(persistentalloc(size, goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
771                                 if newArray == nil {
772                                         throw("out of memory allocating allArenas")
773                                 }
774                                 oldSlice := h.allArenas
775                                 *(*notInHeapSlice)(unsafe.Pointer(&h.allArenas)) = notInHeapSlice{newArray, len(h.allArenas), int(size / goarch.PtrSize)}
776                                 copy(h.allArenas, oldSlice)
777                                 // Do not free the old backing array because
778                                 // there may be concurrent readers. Since we
779                                 // double the array each time, this can lead
780                                 // to at most 2x waste.
781                         }
782                         h.allArenas = h.allArenas[:len(h.allArenas)+1]
783                         h.allArenas[len(h.allArenas)-1] = ri
784                 }
785
786                 // Store atomically just in case an object from the
787                 // new heap arena becomes visible before the heap lock
788                 // is released (which shouldn't happen, but there's
789                 // little downside to this).
790                 atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&l2[ri.l2()]), unsafe.Pointer(r))
791         }
792
793         // Tell the race detector about the new heap memory.
794         if raceenabled {
795                 racemapshadow(v, size)
796         }
797
798         return
799 }
800
801 // sysReserveAligned is like sysReserve, but the returned pointer is
802 // aligned to align bytes. It may reserve either n or n+align bytes,
803 // so it returns the size that was reserved.
804 func sysReserveAligned(v unsafe.Pointer, size, align uintptr) (unsafe.Pointer, uintptr) {
805         // Since the alignment is rather large in uses of this
806         // function, we're not likely to get it by chance, so we ask
807         // for a larger region and remove the parts we don't need.
808         retries := 0
809 retry:
810         p := uintptr(sysReserve(v, size+align))
811         switch {
812         case p == 0:
813                 return nil, 0
814         case p&(align-1) == 0:
815                 return unsafe.Pointer(p), size + align
816         case GOOS == "windows":
817                 // On Windows we can't release pieces of a
818                 // reservation, so we release the whole thing and
819                 // re-reserve the aligned sub-region. This may race,
820                 // so we may have to try again.
821                 sysFreeOS(unsafe.Pointer(p), size+align)
822                 p = alignUp(p, align)
823                 p2 := sysReserve(unsafe.Pointer(p), size)
824                 if p != uintptr(p2) {
825                         // Must have raced. Try again.
826                         sysFreeOS(p2, size)
827                         if retries++; retries == 100 {
828                                 throw("failed to allocate aligned heap memory; too many retries")
829                         }
830                         goto retry
831                 }
832                 // Success.
833                 return p2, size
834         default:
835                 // Trim off the unaligned parts.
836                 pAligned := alignUp(p, align)
837                 sysFreeOS(unsafe.Pointer(p), pAligned-p)
838                 end := pAligned + size
839                 endLen := (p + size + align) - end
840                 if endLen > 0 {
841                         sysFreeOS(unsafe.Pointer(end), endLen)
842                 }
843                 return unsafe.Pointer(pAligned), size
844         }
845 }
846
847 // enableMetadataHugePages enables huge pages for various sources of heap metadata.
848 //
849 // A note on latency: for sufficiently small heaps (<10s of GiB) this function will take constant
850 // time, but may take time proportional to the size of the mapped heap beyond that.
851 //
852 // This function is idempotent.
853 //
854 // The heap lock must not be held over this operation, since it will briefly acquire
855 // the heap lock.
856 func (h *mheap) enableMetadataHugePages() {
857         // Enable huge pages for page structure.
858         h.pages.enableChunkHugePages()
859
860         // Grab the lock and set arenasHugePages if it's not.
861         //
862         // Once arenasHugePages is set, all new L2 entries will be eligible for
863         // huge pages. We'll set all the old entries after we release the lock.
864         lock(&h.lock)
865         if h.arenasHugePages {
866                 unlock(&h.lock)
867                 return
868         }
869         h.arenasHugePages = true
870         unlock(&h.lock)
871
872         // N.B. The arenas L1 map is quite small on all platforms, so it's fine to
873         // just iterate over the whole thing.
874         for i := range h.arenas {
875                 l2 := (*[1 << arenaL2Bits]*heapArena)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(&h.arenas[i])))
876                 if l2 == nil {
877                         continue
878                 }
879                 sysHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
880         }
881 }
882
883 // base address for all 0-byte allocations
884 var zerobase uintptr
885
886 // nextFreeFast returns the next free object if one is quickly available.
887 // Otherwise it returns 0.
888 func nextFreeFast(s *mspan) gclinkptr {
889         theBit := sys.TrailingZeros64(s.allocCache) // Is there a free object in the allocCache?
890         if theBit < 64 {
891                 result := s.freeindex + uintptr(theBit)
892                 if result < s.nelems {
893                         freeidx := result + 1
894                         if freeidx%64 == 0 && freeidx != s.nelems {
895                                 return 0
896                         }
897                         s.allocCache >>= uint(theBit + 1)
898                         s.freeindex = freeidx
899                         s.allocCount++
900                         return gclinkptr(result*s.elemsize + s.base())
901                 }
902         }
903         return 0
904 }
905
906 // nextFree returns the next free object from the cached span if one is available.
907 // Otherwise it refills the cache with a span with an available object and
908 // returns that object along with a flag indicating that this was a heavy
909 // weight allocation. If it is a heavy weight allocation the caller must
910 // determine whether a new GC cycle needs to be started or if the GC is active
911 // whether this goroutine needs to assist the GC.
912 //
913 // Must run in a non-preemptible context since otherwise the owner of
914 // c could change.
915 func (c *mcache) nextFree(spc spanClass) (v gclinkptr, s *mspan, shouldhelpgc bool) {
916         s = c.alloc[spc]
917         shouldhelpgc = false
918         freeIndex := s.nextFreeIndex()
919         if freeIndex == s.nelems {
920                 // The span is full.
921                 if uintptr(s.allocCount) != s.nelems {
922                         println("runtime: s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
923                         throw("s.allocCount != s.nelems && freeIndex == s.nelems")
924                 }
925                 c.refill(spc)
926                 shouldhelpgc = true
927                 s = c.alloc[spc]
928
929                 freeIndex = s.nextFreeIndex()
930         }
931
932         if freeIndex >= s.nelems {
933                 throw("freeIndex is not valid")
934         }
935
936         v = gclinkptr(freeIndex*s.elemsize + s.base())
937         s.allocCount++
938         if uintptr(s.allocCount) > s.nelems {
939                 println("s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
940                 throw("s.allocCount > s.nelems")
941         }
942         return
943 }
944
945 // Allocate an object of size bytes.
946 // Small objects are allocated from the per-P cache's free lists.
947 // Large objects (> 32 kB) are allocated straight from the heap.
948 func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
949         if gcphase == _GCmarktermination {
950                 throw("mallocgc called with gcphase == _GCmarktermination")
951         }
952
953         if size == 0 {
954                 return unsafe.Pointer(&zerobase)
955         }
956
957         // It's possible for any malloc to trigger sweeping, which may in
958         // turn queue finalizers. Record this dynamic lock edge.
959         lockRankMayQueueFinalizer()
960
961         userSize := size
962         if asanenabled {
963                 // Refer to ASAN runtime library, the malloc() function allocates extra memory,
964                 // the redzone, around the user requested memory region. And the redzones are marked
965                 // as unaddressable. We perform the same operations in Go to detect the overflows or
966                 // underflows.
967                 size += computeRZlog(size)
968         }
969
970         if debug.malloc {
971                 if debug.sbrk != 0 {
972                         align := uintptr(16)
973                         if typ != nil {
974                                 // TODO(austin): This should be just
975                                 //   align = uintptr(typ.align)
976                                 // but that's only 4 on 32-bit platforms,
977                                 // even if there's a uint64 field in typ (see #599).
978                                 // This causes 64-bit atomic accesses to panic.
979                                 // Hence, we use stricter alignment that matches
980                                 // the normal allocator better.
981                                 if size&7 == 0 {
982                                         align = 8
983                                 } else if size&3 == 0 {
984                                         align = 4
985                                 } else if size&1 == 0 {
986                                         align = 2
987                                 } else {
988                                         align = 1
989                                 }
990                         }
991                         return persistentalloc(size, align, &memstats.other_sys)
992                 }
993
994                 if inittrace.active && inittrace.id == getg().goid {
995                         // Init functions are executed sequentially in a single goroutine.
996                         inittrace.allocs += 1
997                 }
998         }
999
1000         // assistG is the G to charge for this allocation, or nil if
1001         // GC is not currently active.
1002         assistG := deductAssistCredit(size)
1003
1004         // Set mp.mallocing to keep from being preempted by GC.
1005         mp := acquirem()
1006         if mp.mallocing != 0 {
1007                 throw("malloc deadlock")
1008         }
1009         if mp.gsignal == getg() {
1010                 throw("malloc during signal")
1011         }
1012         mp.mallocing = 1
1013
1014         shouldhelpgc := false
1015         dataSize := userSize
1016         c := getMCache(mp)
1017         if c == nil {
1018                 throw("mallocgc called without a P or outside bootstrapping")
1019         }
1020         var span *mspan
1021         var x unsafe.Pointer
1022         noscan := typ == nil || typ.PtrBytes == 0
1023         // In some cases block zeroing can profitably (for latency reduction purposes)
1024         // be delayed till preemption is possible; delayedZeroing tracks that state.
1025         delayedZeroing := false
1026         if size <= maxSmallSize {
1027                 if noscan && size < maxTinySize {
1028                         // Tiny allocator.
1029                         //
1030                         // Tiny allocator combines several tiny allocation requests
1031                         // into a single memory block. The resulting memory block
1032                         // is freed when all subobjects are unreachable. The subobjects
1033                         // must be noscan (don't have pointers), this ensures that
1034                         // the amount of potentially wasted memory is bounded.
1035                         //
1036                         // Size of the memory block used for combining (maxTinySize) is tunable.
1037                         // Current setting is 16 bytes, which relates to 2x worst case memory
1038                         // wastage (when all but one subobjects are unreachable).
1039                         // 8 bytes would result in no wastage at all, but provides less
1040                         // opportunities for combining.
1041                         // 32 bytes provides more opportunities for combining,
1042                         // but can lead to 4x worst case wastage.
1043                         // The best case winning is 8x regardless of block size.
1044                         //
1045                         // Objects obtained from tiny allocator must not be freed explicitly.
1046                         // So when an object will be freed explicitly, we ensure that
1047                         // its size >= maxTinySize.
1048                         //
1049                         // SetFinalizer has a special case for objects potentially coming
1050                         // from tiny allocator, it such case it allows to set finalizers
1051                         // for an inner byte of a memory block.
1052                         //
1053                         // The main targets of tiny allocator are small strings and
1054                         // standalone escaping variables. On a json benchmark
1055                         // the allocator reduces number of allocations by ~12% and
1056                         // reduces heap size by ~20%.
1057                         off := c.tinyoffset
1058                         // Align tiny pointer for required (conservative) alignment.
1059                         if size&7 == 0 {
1060                                 off = alignUp(off, 8)
1061                         } else if goarch.PtrSize == 4 && size == 12 {
1062                                 // Conservatively align 12-byte objects to 8 bytes on 32-bit
1063                                 // systems so that objects whose first field is a 64-bit
1064                                 // value is aligned to 8 bytes and does not cause a fault on
1065                                 // atomic access. See issue 37262.
1066                                 // TODO(mknyszek): Remove this workaround if/when issue 36606
1067                                 // is resolved.
1068                                 off = alignUp(off, 8)
1069                         } else if size&3 == 0 {
1070                                 off = alignUp(off, 4)
1071                         } else if size&1 == 0 {
1072                                 off = alignUp(off, 2)
1073                         }
1074                         if off+size <= maxTinySize && c.tiny != 0 {
1075                                 // The object fits into existing tiny block.
1076                                 x = unsafe.Pointer(c.tiny + off)
1077                                 c.tinyoffset = off + size
1078                                 c.tinyAllocs++
1079                                 mp.mallocing = 0
1080                                 releasem(mp)
1081                                 return x
1082                         }
1083                         // Allocate a new maxTinySize block.
1084                         span = c.alloc[tinySpanClass]
1085                         v := nextFreeFast(span)
1086                         if v == 0 {
1087                                 v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(tinySpanClass)
1088                         }
1089                         x = unsafe.Pointer(v)
1090                         (*[2]uint64)(x)[0] = 0
1091                         (*[2]uint64)(x)[1] = 0
1092                         // See if we need to replace the existing tiny block with the new one
1093                         // based on amount of remaining free space.
1094                         if !raceenabled && (size < c.tinyoffset || c.tiny == 0) {
1095                                 // Note: disabled when race detector is on, see comment near end of this function.
1096                                 c.tiny = uintptr(x)
1097                                 c.tinyoffset = size
1098                         }
1099                         size = maxTinySize
1100                 } else {
1101                         var sizeclass uint8
1102                         if size <= smallSizeMax-8 {
1103                                 sizeclass = size_to_class8[divRoundUp(size, smallSizeDiv)]
1104                         } else {
1105                                 sizeclass = size_to_class128[divRoundUp(size-smallSizeMax, largeSizeDiv)]
1106                         }
1107                         size = uintptr(class_to_size[sizeclass])
1108                         spc := makeSpanClass(sizeclass, noscan)
1109                         span = c.alloc[spc]
1110                         v := nextFreeFast(span)
1111                         if v == 0 {
1112                                 v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(spc)
1113                         }
1114                         x = unsafe.Pointer(v)
1115                         if needzero && span.needzero != 0 {
1116                                 memclrNoHeapPointers(x, size)
1117                         }
1118                 }
1119         } else {
1120                 shouldhelpgc = true
1121                 // For large allocations, keep track of zeroed state so that
1122                 // bulk zeroing can be happen later in a preemptible context.
1123                 span = c.allocLarge(size, noscan)
1124                 span.freeindex = 1
1125                 span.allocCount = 1
1126                 size = span.elemsize
1127                 x = unsafe.Pointer(span.base())
1128                 if needzero && span.needzero != 0 {
1129                         if noscan {
1130                                 delayedZeroing = true
1131                         } else {
1132                                 memclrNoHeapPointers(x, size)
1133                                 // We've in theory cleared almost the whole span here,
1134                                 // and could take the extra step of actually clearing
1135                                 // the whole thing. However, don't. Any GC bits for the
1136                                 // uncleared parts will be zero, and it's just going to
1137                                 // be needzero = 1 once freed anyway.
1138                         }
1139                 }
1140         }
1141
1142         if !noscan {
1143                 var scanSize uintptr
1144                 heapBitsSetType(uintptr(x), size, dataSize, typ)
1145                 if dataSize > typ.Size_ {
1146                         // Array allocation. If there are any
1147                         // pointers, GC has to scan to the last
1148                         // element.
1149                         if typ.PtrBytes != 0 {
1150                                 scanSize = dataSize - typ.Size_ + typ.PtrBytes
1151                         }
1152                 } else {
1153                         scanSize = typ.PtrBytes
1154                 }
1155                 c.scanAlloc += scanSize
1156         }
1157
1158         // Ensure that the stores above that initialize x to
1159         // type-safe memory and set the heap bits occur before
1160         // the caller can make x observable to the garbage
1161         // collector. Otherwise, on weakly ordered machines,
1162         // the garbage collector could follow a pointer to x,
1163         // but see uninitialized memory or stale heap bits.
1164         publicationBarrier()
1165         // As x and the heap bits are initialized, update
1166         // freeIndexForScan now so x is seen by the GC
1167         // (including convervative scan) as an allocated object.
1168         // While this pointer can't escape into user code as a
1169         // _live_ pointer until we return, conservative scanning
1170         // may find a dead pointer that happens to point into this
1171         // object. Delaying this update until now ensures that
1172         // conservative scanning considers this pointer dead until
1173         // this point.
1174         span.freeIndexForScan = span.freeindex
1175
1176         // Allocate black during GC.
1177         // All slots hold nil so no scanning is needed.
1178         // This may be racing with GC so do it atomically if there can be
1179         // a race marking the bit.
1180         if gcphase != _GCoff {
1181                 gcmarknewobject(span, uintptr(x), size)
1182         }
1183
1184         if raceenabled {
1185                 racemalloc(x, size)
1186         }
1187
1188         if msanenabled {
1189                 msanmalloc(x, size)
1190         }
1191
1192         if asanenabled {
1193                 // We should only read/write the memory with the size asked by the user.
1194                 // The rest of the allocated memory should be poisoned, so that we can report
1195                 // errors when accessing poisoned memory.
1196                 // The allocated memory is larger than required userSize, it will also include
1197                 // redzone and some other padding bytes.
1198                 rzBeg := unsafe.Add(x, userSize)
1199                 asanpoison(rzBeg, size-userSize)
1200                 asanunpoison(x, userSize)
1201         }
1202
1203         if rate := MemProfileRate; rate > 0 {
1204                 // Note cache c only valid while m acquired; see #47302
1205                 if rate != 1 && size < c.nextSample {
1206                         c.nextSample -= size
1207                 } else {
1208                         profilealloc(mp, x, size)
1209                 }
1210         }
1211         mp.mallocing = 0
1212         releasem(mp)
1213
1214         // Pointerfree data can be zeroed late in a context where preemption can occur.
1215         // x will keep the memory alive.
1216         if delayedZeroing {
1217                 if !noscan {
1218                         throw("delayed zeroing on data that may contain pointers")
1219                 }
1220                 memclrNoHeapPointersChunked(size, x) // This is a possible preemption point: see #47302
1221         }
1222
1223         if debug.malloc {
1224                 if debug.allocfreetrace != 0 {
1225                         tracealloc(x, size, typ)
1226                 }
1227
1228                 if inittrace.active && inittrace.id == getg().goid {
1229                         // Init functions are executed sequentially in a single goroutine.
1230                         inittrace.bytes += uint64(size)
1231                 }
1232         }
1233
1234         if assistG != nil {
1235                 // Account for internal fragmentation in the assist
1236                 // debt now that we know it.
1237                 assistG.gcAssistBytes -= int64(size - dataSize)
1238         }
1239
1240         if shouldhelpgc {
1241                 if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerHeap}); t.test() {
1242                         gcStart(t)
1243                 }
1244         }
1245
1246         if raceenabled && noscan && dataSize < maxTinySize {
1247                 // Pad tinysize allocations so they are aligned with the end
1248                 // of the tinyalloc region. This ensures that any arithmetic
1249                 // that goes off the top end of the object will be detectable
1250                 // by checkptr (issue 38872).
1251                 // Note that we disable tinyalloc when raceenabled for this to work.
1252                 // TODO: This padding is only performed when the race detector
1253                 // is enabled. It would be nice to enable it if any package
1254                 // was compiled with checkptr, but there's no easy way to
1255                 // detect that (especially at compile time).
1256                 // TODO: enable this padding for all allocations, not just
1257                 // tinyalloc ones. It's tricky because of pointer maps.
1258                 // Maybe just all noscan objects?
1259                 x = add(x, size-dataSize)
1260         }
1261
1262         return x
1263 }
1264
1265 // deductAssistCredit reduces the current G's assist credit
1266 // by size bytes, and assists the GC if necessary.
1267 //
1268 // Caller must be preemptible.
1269 //
1270 // Returns the G for which the assist credit was accounted.
1271 func deductAssistCredit(size uintptr) *g {
1272         var assistG *g
1273         if gcBlackenEnabled != 0 {
1274                 // Charge the current user G for this allocation.
1275                 assistG = getg()
1276                 if assistG.m.curg != nil {
1277                         assistG = assistG.m.curg
1278                 }
1279                 // Charge the allocation against the G. We'll account
1280                 // for internal fragmentation at the end of mallocgc.
1281                 assistG.gcAssistBytes -= int64(size)
1282
1283                 if assistG.gcAssistBytes < 0 {
1284                         // This G is in debt. Assist the GC to correct
1285                         // this before allocating. This must happen
1286                         // before disabling preemption.
1287                         gcAssistAlloc(assistG)
1288                 }
1289         }
1290         return assistG
1291 }
1292
1293 // memclrNoHeapPointersChunked repeatedly calls memclrNoHeapPointers
1294 // on chunks of the buffer to be zeroed, with opportunities for preemption
1295 // along the way.  memclrNoHeapPointers contains no safepoints and also
1296 // cannot be preemptively scheduled, so this provides a still-efficient
1297 // block copy that can also be preempted on a reasonable granularity.
1298 //
1299 // Use this with care; if the data being cleared is tagged to contain
1300 // pointers, this allows the GC to run before it is all cleared.
1301 func memclrNoHeapPointersChunked(size uintptr, x unsafe.Pointer) {
1302         v := uintptr(x)
1303         // got this from benchmarking. 128k is too small, 512k is too large.
1304         const chunkBytes = 256 * 1024
1305         vsize := v + size
1306         for voff := v; voff < vsize; voff = voff + chunkBytes {
1307                 if getg().preempt {
1308                         // may hold locks, e.g., profiling
1309                         goschedguarded()
1310                 }
1311                 // clear min(avail, lump) bytes
1312                 n := vsize - voff
1313                 if n > chunkBytes {
1314                         n = chunkBytes
1315                 }
1316                 memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(voff), n)
1317         }
1318 }
1319
1320 // implementation of new builtin
1321 // compiler (both frontend and SSA backend) knows the signature
1322 // of this function.
1323 func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
1324         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1325 }
1326
1327 //go:linkname reflect_unsafe_New reflect.unsafe_New
1328 func reflect_unsafe_New(typ *_type) unsafe.Pointer {
1329         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1330 }
1331
1332 //go:linkname reflectlite_unsafe_New internal/reflectlite.unsafe_New
1333 func reflectlite_unsafe_New(typ *_type) unsafe.Pointer {
1334         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1335 }
1336
1337 // newarray allocates an array of n elements of type typ.
1338 func newarray(typ *_type, n int) unsafe.Pointer {
1339         if n == 1 {
1340                 return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1341         }
1342         mem, overflow := math.MulUintptr(typ.Size_, uintptr(n))
1343         if overflow || mem > maxAlloc || n < 0 {
1344                 panic(plainError("runtime: allocation size out of range"))
1345         }
1346         return mallocgc(mem, typ, true)
1347 }
1348
1349 //go:linkname reflect_unsafe_NewArray reflect.unsafe_NewArray
1350 func reflect_unsafe_NewArray(typ *_type, n int) unsafe.Pointer {
1351         return newarray(typ, n)
1352 }
1353
1354 func profilealloc(mp *m, x unsafe.Pointer, size uintptr) {
1355         c := getMCache(mp)
1356         if c == nil {
1357                 throw("profilealloc called without a P or outside bootstrapping")
1358         }
1359         c.nextSample = nextSample()
1360         mProf_Malloc(x, size)
1361 }
1362
1363 // nextSample returns the next sampling point for heap profiling. The goal is
1364 // to sample allocations on average every MemProfileRate bytes, but with a
1365 // completely random distribution over the allocation timeline; this
1366 // corresponds to a Poisson process with parameter MemProfileRate. In Poisson
1367 // processes, the distance between two samples follows the exponential
1368 // distribution (exp(MemProfileRate)), so the best return value is a random
1369 // number taken from an exponential distribution whose mean is MemProfileRate.
1370 func nextSample() uintptr {
1371         if MemProfileRate == 1 {
1372                 // Callers assign our return value to
1373                 // mcache.next_sample, but next_sample is not used
1374                 // when the rate is 1. So avoid the math below and
1375                 // just return something.
1376                 return 0
1377         }
1378         if GOOS == "plan9" {
1379                 // Plan 9 doesn't support floating point in note handler.
1380                 if gp := getg(); gp == gp.m.gsignal {
1381                         return nextSampleNoFP()
1382                 }
1383         }
1384
1385         return uintptr(fastexprand(MemProfileRate))
1386 }
1387
1388 // fastexprand returns a random number from an exponential distribution with
1389 // the specified mean.
1390 func fastexprand(mean int) int32 {
1391         // Avoid overflow. Maximum possible step is
1392         // -ln(1/(1<<randomBitCount)) * mean, approximately 20 * mean.
1393         switch {
1394         case mean > 0x7000000:
1395                 mean = 0x7000000
1396         case mean == 0:
1397                 return 0
1398         }
1399
1400         // Take a random sample of the exponential distribution exp(-mean*x).
1401         // The probability distribution function is mean*exp(-mean*x), so the CDF is
1402         // p = 1 - exp(-mean*x), so
1403         // q = 1 - p == exp(-mean*x)
1404         // log_e(q) = -mean*x
1405         // -log_e(q)/mean = x
1406         // x = -log_e(q) * mean
1407         // x = log_2(q) * (-log_e(2)) * mean    ; Using log_2 for efficiency
1408         const randomBitCount = 26
1409         q := fastrandn(1<<randomBitCount) + 1
1410         qlog := fastlog2(float64(q)) - randomBitCount
1411         if qlog > 0 {
1412                 qlog = 0
1413         }
1414         const minusLog2 = -0.6931471805599453 // -ln(2)
1415         return int32(qlog*(minusLog2*float64(mean))) + 1
1416 }
1417
1418 // nextSampleNoFP is similar to nextSample, but uses older,
1419 // simpler code to avoid floating point.
1420 func nextSampleNoFP() uintptr {
1421         // Set first allocation sample size.
1422         rate := MemProfileRate
1423         if rate > 0x3fffffff { // make 2*rate not overflow
1424                 rate = 0x3fffffff
1425         }
1426         if rate != 0 {
1427                 return uintptr(fastrandn(uint32(2 * rate)))
1428         }
1429         return 0
1430 }
1431
1432 type persistentAlloc struct {
1433         base *notInHeap
1434         off  uintptr
1435 }
1436
1437 var globalAlloc struct {
1438         mutex
1439         persistentAlloc
1440 }
1441
1442 // persistentChunkSize is the number of bytes we allocate when we grow
1443 // a persistentAlloc.
1444 const persistentChunkSize = 256 << 10
1445
1446 // persistentChunks is a list of all the persistent chunks we have
1447 // allocated. The list is maintained through the first word in the
1448 // persistent chunk. This is updated atomically.
1449 var persistentChunks *notInHeap
1450
1451 // Wrapper around sysAlloc that can allocate small chunks.
1452 // There is no associated free operation.
1453 // Intended for things like function/type/debug-related persistent data.
1454 // If align is 0, uses default align (currently 8).
1455 // The returned memory will be zeroed.
1456 // sysStat must be non-nil.
1457 //
1458 // Consider marking persistentalloc'd types not in heap by embedding
1459 // runtime/internal/sys.NotInHeap.
1460 func persistentalloc(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) unsafe.Pointer {
1461         var p *notInHeap
1462         systemstack(func() {
1463                 p = persistentalloc1(size, align, sysStat)
1464         })
1465         return unsafe.Pointer(p)
1466 }
1467
1468 // Must run on system stack because stack growth can (re)invoke it.
1469 // See issue 9174.
1470 //
1471 //go:systemstack
1472 func persistentalloc1(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) *notInHeap {
1473         const (
1474                 maxBlock = 64 << 10 // VM reservation granularity is 64K on windows
1475         )
1476
1477         if size == 0 {
1478                 throw("persistentalloc: size == 0")
1479         }
1480         if align != 0 {
1481                 if align&(align-1) != 0 {
1482                         throw("persistentalloc: align is not a power of 2")
1483                 }
1484                 if align > _PageSize {
1485                         throw("persistentalloc: align is too large")
1486                 }
1487         } else {
1488                 align = 8
1489         }
1490
1491         if size >= maxBlock {
1492                 return (*notInHeap)(sysAlloc(size, sysStat))
1493         }
1494
1495         mp := acquirem()
1496         var persistent *persistentAlloc
1497         if mp != nil && mp.p != 0 {
1498                 persistent = &mp.p.ptr().palloc
1499         } else {
1500                 lock(&globalAlloc.mutex)
1501                 persistent = &globalAlloc.persistentAlloc
1502         }
1503         persistent.off = alignUp(persistent.off, align)
1504         if persistent.off+size > persistentChunkSize || persistent.base == nil {
1505                 persistent.base = (*notInHeap)(sysAlloc(persistentChunkSize, &memstats.other_sys))
1506                 if persistent.base == nil {
1507                         if persistent == &globalAlloc.persistentAlloc {
1508                                 unlock(&globalAlloc.mutex)
1509                         }
1510                         throw("runtime: cannot allocate memory")
1511                 }
1512
1513                 // Add the new chunk to the persistentChunks list.
1514                 for {
1515                         chunks := uintptr(unsafe.Pointer(persistentChunks))
1516                         *(*uintptr)(unsafe.Pointer(persistent.base)) = chunks
1517                         if atomic.Casuintptr((*uintptr)(unsafe.Pointer(&persistentChunks)), chunks, uintptr(unsafe.Pointer(persistent.base))) {
1518                                 break
1519                         }
1520                 }
1521                 persistent.off = alignUp(goarch.PtrSize, align)
1522         }
1523         p := persistent.base.add(persistent.off)
1524         persistent.off += size
1525         releasem(mp)
1526         if persistent == &globalAlloc.persistentAlloc {
1527                 unlock(&globalAlloc.mutex)
1528         }
1529
1530         if sysStat != &memstats.other_sys {
1531                 sysStat.add(int64(size))
1532                 memstats.other_sys.add(-int64(size))
1533         }
1534         return p
1535 }
1536
1537 // inPersistentAlloc reports whether p points to memory allocated by
1538 // persistentalloc. This must be nosplit because it is called by the
1539 // cgo checker code, which is called by the write barrier code.
1540 //
1541 //go:nosplit
1542 func inPersistentAlloc(p uintptr) bool {
1543         chunk := atomic.Loaduintptr((*uintptr)(unsafe.Pointer(&persistentChunks)))
1544         for chunk != 0 {
1545                 if p >= chunk && p < chunk+persistentChunkSize {
1546                         return true
1547                 }
1548                 chunk = *(*uintptr)(unsafe.Pointer(chunk))
1549         }
1550         return false
1551 }
1552
1553 // linearAlloc is a simple linear allocator that pre-reserves a region
1554 // of memory and then optionally maps that region into the Ready state
1555 // as needed.
1556 //
1557 // The caller is responsible for locking.
1558 type linearAlloc struct {
1559         next   uintptr // next free byte
1560         mapped uintptr // one byte past end of mapped space
1561         end    uintptr // end of reserved space
1562
1563         mapMemory bool // transition memory from Reserved to Ready if true
1564 }
1565
1566 func (l *linearAlloc) init(base, size uintptr, mapMemory bool) {
1567         if base+size < base {
1568                 // Chop off the last byte. The runtime isn't prepared
1569                 // to deal with situations where the bounds could overflow.
1570                 // Leave that memory reserved, though, so we don't map it
1571                 // later.
1572                 size -= 1
1573         }
1574         l.next, l.mapped = base, base
1575         l.end = base + size
1576         l.mapMemory = mapMemory
1577 }
1578
1579 func (l *linearAlloc) alloc(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) unsafe.Pointer {
1580         p := alignUp(l.next, align)
1581         if p+size > l.end {
1582                 return nil
1583         }
1584         l.next = p + size
1585         if pEnd := alignUp(l.next-1, physPageSize); pEnd > l.mapped {
1586                 if l.mapMemory {
1587                         // Transition from Reserved to Prepared to Ready.
1588                         n := pEnd - l.mapped
1589                         sysMap(unsafe.Pointer(l.mapped), n, sysStat)
1590                         sysUsed(unsafe.Pointer(l.mapped), n, n)
1591                 }
1592                 l.mapped = pEnd
1593         }
1594         return unsafe.Pointer(p)
1595 }
1596
1597 // notInHeap is off-heap memory allocated by a lower-level allocator
1598 // like sysAlloc or persistentAlloc.
1599 //
1600 // In general, it's better to use real types which embed
1601 // runtime/internal/sys.NotInHeap, but this serves as a generic type
1602 // for situations where that isn't possible (like in the allocators).
1603 //
1604 // TODO: Use this as the return type of sysAlloc, persistentAlloc, etc?
1605 type notInHeap struct{ _ sys.NotInHeap }
1606
1607 func (p *notInHeap) add(bytes uintptr) *notInHeap {
1608         return (*notInHeap)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(p)) + bytes))
1609 }
1610
1611 // computeRZlog computes the size of the redzone.
1612 // Refer to the implementation of the compiler-rt.
1613 func computeRZlog(userSize uintptr) uintptr {
1614         switch {
1615         case userSize <= (64 - 16):
1616                 return 16 << 0
1617         case userSize <= (128 - 32):
1618                 return 16 << 1
1619         case userSize <= (512 - 64):
1620                 return 16 << 2
1621         case userSize <= (4096 - 128):
1622                 return 16 << 3
1623         case userSize <= (1<<14)-256:
1624                 return 16 << 4
1625         case userSize <= (1<<15)-512:
1626                 return 16 << 5
1627         case userSize <= (1<<16)-1024:
1628                 return 16 << 6
1629         default:
1630                 return 16 << 7
1631         }
1632 }