]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/malloc.go
a071428391eb29d3494dc881b377a2db040872e4
[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         _PageSize = 1 << _PageShift
121         _PageMask = _PageSize - 1
122
123         // _64bit = 1 on 64-bit systems, 0 on 32-bit systems
124         _64bit = 1 << (^uintptr(0) >> 63) / 2
125
126         // Tiny allocator parameters, see "Tiny allocator" comment in malloc.go.
127         _TinySize      = 16
128         _TinySizeClass = int8(2)
129
130         _FixAllocChunk = 16 << 10 // Chunk size for FixAlloc
131
132         // Per-P, per order stack segment cache size.
133         _StackCacheSize = 32 * 1024
134
135         // Number of orders that get caching. Order 0 is FixedStack
136         // and each successive order is twice as large.
137         // We want to cache 2KB, 4KB, 8KB, and 16KB stacks. Larger stacks
138         // will be allocated directly.
139         // Since FixedStack is different on different systems, we
140         // must vary NumStackOrders to keep the same maximum cached size.
141         //   OS               | FixedStack | NumStackOrders
142         //   -----------------+------------+---------------
143         //   linux/darwin/bsd | 2KB        | 4
144         //   windows/32       | 4KB        | 3
145         //   windows/64       | 8KB        | 2
146         //   plan9            | 4KB        | 3
147         _NumStackOrders = 4 - goarch.PtrSize/4*goos.IsWindows - 1*goos.IsPlan9
148
149         // heapAddrBits is the number of bits in a heap address. On
150         // amd64, addresses are sign-extended beyond heapAddrBits. On
151         // other arches, they are zero-extended.
152         //
153         // On most 64-bit platforms, we limit this to 48 bits based on a
154         // combination of hardware and OS limitations.
155         //
156         // amd64 hardware limits addresses to 48 bits, sign-extended
157         // to 64 bits. Addresses where the top 16 bits are not either
158         // all 0 or all 1 are "non-canonical" and invalid. Because of
159         // these "negative" addresses, we offset addresses by 1<<47
160         // (arenaBaseOffset) on amd64 before computing indexes into
161         // the heap arenas index. In 2017, amd64 hardware added
162         // support for 57 bit addresses; however, currently only Linux
163         // supports this extension and the kernel will never choose an
164         // address above 1<<47 unless mmap is called with a hint
165         // address above 1<<47 (which we never do).
166         //
167         // arm64 hardware (as of ARMv8) limits user addresses to 48
168         // bits, in the range [0, 1<<48).
169         //
170         // ppc64, mips64, and s390x support arbitrary 64 bit addresses
171         // in hardware. On Linux, Go leans on stricter OS limits. Based
172         // on Linux's processor.h, the user address space is limited as
173         // follows on 64-bit architectures:
174         //
175         // Architecture  Name              Maximum Value (exclusive)
176         // ---------------------------------------------------------------------
177         // amd64         TASK_SIZE_MAX     0x007ffffffff000 (47 bit addresses)
178         // arm64         TASK_SIZE_64      0x01000000000000 (48 bit addresses)
179         // ppc64{,le}    TASK_SIZE_USER64  0x00400000000000 (46 bit addresses)
180         // mips64{,le}   TASK_SIZE64       0x00010000000000 (40 bit addresses)
181         // s390x         TASK_SIZE         1<<64 (64 bit addresses)
182         //
183         // These limits may increase over time, but are currently at
184         // most 48 bits except on s390x. On all architectures, Linux
185         // starts placing mmap'd regions at addresses that are
186         // significantly below 48 bits, so even if it's possible to
187         // exceed Go's 48 bit limit, it's extremely unlikely in
188         // practice.
189         //
190         // On 32-bit platforms, we accept the full 32-bit address
191         // space because doing so is cheap.
192         // mips32 only has access to the low 2GB of virtual memory, so
193         // we further limit it to 31 bits.
194         //
195         // On ios/arm64, although 64-bit pointers are presumably
196         // available, pointers are truncated to 33 bits in iOS <14.
197         // Furthermore, only the top 4 GiB of the address space are
198         // actually available to the application. In iOS >=14, more
199         // of the address space is available, and the OS can now
200         // provide addresses outside of those 33 bits. Pick 40 bits
201         // as a reasonable balance between address space usage by the
202         // page allocator, and flexibility for what mmap'd regions
203         // we'll accept for the heap. We can't just move to the full
204         // 48 bits because this uses too much address space for older
205         // iOS versions.
206         // TODO(mknyszek): Once iOS <14 is deprecated, promote ios/arm64
207         // to a 48-bit address space like every other arm64 platform.
208         //
209         // WebAssembly currently has a limit of 4GB linear memory.
210         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
211
212         // maxAlloc is the maximum size of an allocation. On 64-bit,
213         // it's theoretically possible to allocate 1<<heapAddrBits bytes. On
214         // 32-bit, however, this is one less than 1<<32 because the
215         // number of bytes in the address space doesn't actually fit
216         // in a uintptr.
217         maxAlloc = (1 << heapAddrBits) - (1-_64bit)*1
218
219         // The number of bits in a heap address, the size of heap
220         // arenas, and the L1 and L2 arena map sizes are related by
221         //
222         //   (1 << addr bits) = arena size * L1 entries * L2 entries
223         //
224         // Currently, we balance these as follows:
225         //
226         //       Platform  Addr bits  Arena size  L1 entries   L2 entries
227         // --------------  ---------  ----------  ----------  -----------
228         //       */64-bit         48        64MB           1    4M (32MB)
229         // windows/64-bit         48         4MB          64    1M  (8MB)
230         //      ios/arm64         33         4MB           1  2048  (8KB)
231         //       */32-bit         32         4MB           1  1024  (4KB)
232         //     */mips(le)         31         4MB           1   512  (2KB)
233
234         // heapArenaBytes is the size of a heap arena. The heap
235         // consists of mappings of size heapArenaBytes, aligned to
236         // heapArenaBytes. The initial heap mapping is one arena.
237         //
238         // This is currently 64MB on 64-bit non-Windows and 4MB on
239         // 32-bit and on Windows. We use smaller arenas on Windows
240         // because all committed memory is charged to the process,
241         // even if it's not touched. Hence, for processes with small
242         // heaps, the mapped arena space needs to be commensurate.
243         // This is particularly important with the race detector,
244         // since it significantly amplifies the cost of committed
245         // memory.
246         heapArenaBytes = 1 << logHeapArenaBytes
247
248         heapArenaWords = heapArenaBytes / goarch.PtrSize
249
250         // logHeapArenaBytes is log_2 of heapArenaBytes. For clarity,
251         // prefer using heapArenaBytes where possible (we need the
252         // constant to compute some other constants).
253         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
254
255         // heapArenaBitmapWords is the size of each heap arena's bitmap in uintptrs.
256         heapArenaBitmapWords = heapArenaWords / (8 * goarch.PtrSize)
257
258         pagesPerArena = heapArenaBytes / pageSize
259
260         // arenaL1Bits is the number of bits of the arena number
261         // covered by the first level arena map.
262         //
263         // This number should be small, since the first level arena
264         // map requires PtrSize*(1<<arenaL1Bits) of space in the
265         // binary's BSS. It can be zero, in which case the first level
266         // index is effectively unused. There is a performance benefit
267         // to this, since the generated code can be more efficient,
268         // but comes at the cost of having a large L2 mapping.
269         //
270         // We use the L1 map on 64-bit Windows because the arena size
271         // is small, but the address space is still 48 bits, and
272         // there's a high cost to having a large L2.
273         arenaL1Bits = 6 * (_64bit * goos.IsWindows)
274
275         // arenaL2Bits is the number of bits of the arena number
276         // covered by the second level arena index.
277         //
278         // The size of each arena map allocation is proportional to
279         // 1<<arenaL2Bits, so it's important that this not be too
280         // large. 48 bits leads to 32MB arena index allocations, which
281         // is about the practical threshold.
282         arenaL2Bits = heapAddrBits - logHeapArenaBytes - arenaL1Bits
283
284         // arenaL1Shift is the number of bits to shift an arena frame
285         // number by to compute an index into the first level arena map.
286         arenaL1Shift = arenaL2Bits
287
288         // arenaBits is the total bits in a combined arena map index.
289         // This is split between the index into the L1 arena map and
290         // the L2 arena map.
291         arenaBits = arenaL1Bits + arenaL2Bits
292
293         // arenaBaseOffset is the pointer value that corresponds to
294         // index 0 in the heap arena map.
295         //
296         // On amd64, the address space is 48 bits, sign extended to 64
297         // bits. This offset lets us handle "negative" addresses (or
298         // high addresses if viewed as unsigned).
299         //
300         // On aix/ppc64, this offset allows to keep the heapAddrBits to
301         // 48. Otherwise, it would be 60 in order to handle mmap addresses
302         // (in range 0x0a00000000000000 - 0x0afffffffffffff). But in this
303         // case, the memory reserved in (s *pageAlloc).init for chunks
304         // is causing important slowdowns.
305         //
306         // On other platforms, the user address space is contiguous
307         // and starts at 0, so no offset is necessary.
308         arenaBaseOffset = 0xffff800000000000*goarch.IsAmd64 + 0x0a00000000000000*goos.IsAix
309         // A typed version of this constant that will make it into DWARF (for viewcore).
310         arenaBaseOffsetUintptr = uintptr(arenaBaseOffset)
311
312         // Max number of threads to run garbage collection.
313         // 2, 3, and 4 are all plausible maximums depending
314         // on the hardware details of the machine. The garbage
315         // collector scales well to 32 cpus.
316         _MaxGcproc = 32
317
318         // minLegalPointer is the smallest possible legal pointer.
319         // This is the smallest possible architectural page size,
320         // since we assume that the first page is never mapped.
321         //
322         // This should agree with minZeroPage in the compiler.
323         minLegalPointer uintptr = 4096
324
325         // minHeapForMetadataHugePages sets a threshold on when certain kinds of
326         // heap metadata, currently the arenas map L2 entries and page alloc bitmap
327         // mappings, are allowed to be backed by huge pages. If the heap goal ever
328         // exceeds this threshold, then huge pages are enabled.
329         //
330         // These numbers are chosen with the assumption that huge pages are on the
331         // order of a few MiB in size.
332         //
333         // The kind of metadata this applies to has a very low overhead when compared
334         // to address space used, but their constant overheads for small heaps would
335         // be very high if they were to be backed by huge pages (e.g. a few MiB makes
336         // a huge difference for an 8 MiB heap, but barely any difference for a 1 GiB
337         // heap). The benefit of huge pages is also not worth it for small heaps,
338         // because only a very, very small part of the metadata is used for small heaps.
339         //
340         // N.B. If the heap goal exceeds the threshold then shrinks to a very small size
341         // again, then huge pages will still be enabled for this mapping. The reason is that
342         // there's no point unless we're also returning the physical memory for these
343         // metadata mappings back to the OS. That would be quite complex to do in general
344         // as the heap is likely fragmented after a reduction in heap size.
345         minHeapForMetadataHugePages = 1 << 30
346 )
347
348 // physPageSize is the size in bytes of the OS's physical pages.
349 // Mapping and unmapping operations must be done at multiples of
350 // physPageSize.
351 //
352 // This must be set by the OS init code (typically in osinit) before
353 // mallocinit.
354 var physPageSize uintptr
355
356 // physHugePageSize is the size in bytes of the OS's default physical huge
357 // page size whose allocation is opaque to the application. It is assumed
358 // and verified to be a power of two.
359 //
360 // If set, this must be set by the OS init code (typically in osinit) before
361 // mallocinit. However, setting it at all is optional, and leaving the default
362 // value is always safe (though potentially less efficient).
363 //
364 // Since physHugePageSize is always assumed to be a power of two,
365 // physHugePageShift is defined as physHugePageSize == 1 << physHugePageShift.
366 // The purpose of physHugePageShift is to avoid doing divisions in
367 // performance critical functions.
368 var (
369         physHugePageSize  uintptr
370         physHugePageShift uint
371 )
372
373 func mallocinit() {
374         if class_to_size[_TinySizeClass] != _TinySize {
375                 throw("bad TinySizeClass")
376         }
377
378         if heapArenaBitmapWords&(heapArenaBitmapWords-1) != 0 {
379                 // heapBits expects modular arithmetic on bitmap
380                 // addresses to work.
381                 throw("heapArenaBitmapWords not a power of 2")
382         }
383
384         // Check physPageSize.
385         if physPageSize == 0 {
386                 // The OS init code failed to fetch the physical page size.
387                 throw("failed to get system page size")
388         }
389         if physPageSize > maxPhysPageSize {
390                 print("system page size (", physPageSize, ") is larger than maximum page size (", maxPhysPageSize, ")\n")
391                 throw("bad system page size")
392         }
393         if physPageSize < minPhysPageSize {
394                 print("system page size (", physPageSize, ") is smaller than minimum page size (", minPhysPageSize, ")\n")
395                 throw("bad system page size")
396         }
397         if physPageSize&(physPageSize-1) != 0 {
398                 print("system page size (", physPageSize, ") must be a power of 2\n")
399                 throw("bad system page size")
400         }
401         if physHugePageSize&(physHugePageSize-1) != 0 {
402                 print("system huge page size (", physHugePageSize, ") must be a power of 2\n")
403                 throw("bad system huge page size")
404         }
405         if physHugePageSize > maxPhysHugePageSize {
406                 // physHugePageSize is greater than the maximum supported huge page size.
407                 // Don't throw here, like in the other cases, since a system configured
408                 // in this way isn't wrong, we just don't have the code to support them.
409                 // Instead, silently set the huge page size to zero.
410                 physHugePageSize = 0
411         }
412         if physHugePageSize != 0 {
413                 // Since physHugePageSize is a power of 2, it suffices to increase
414                 // physHugePageShift until 1<<physHugePageShift == physHugePageSize.
415                 for 1<<physHugePageShift != physHugePageSize {
416                         physHugePageShift++
417                 }
418         }
419         if pagesPerArena%pagesPerSpanRoot != 0 {
420                 print("pagesPerArena (", pagesPerArena, ") is not divisible by pagesPerSpanRoot (", pagesPerSpanRoot, ")\n")
421                 throw("bad pagesPerSpanRoot")
422         }
423         if pagesPerArena%pagesPerReclaimerChunk != 0 {
424                 print("pagesPerArena (", pagesPerArena, ") is not divisible by pagesPerReclaimerChunk (", pagesPerReclaimerChunk, ")\n")
425                 throw("bad pagesPerReclaimerChunk")
426         }
427
428         if minTagBits > taggedPointerBits {
429                 throw("taggedPointerbits too small")
430         }
431
432         // Initialize the heap.
433         mheap_.init()
434         mcache0 = allocmcache()
435         lockInit(&gcBitsArenas.lock, lockRankGcBitsArenas)
436         lockInit(&profInsertLock, lockRankProfInsert)
437         lockInit(&profBlockLock, lockRankProfBlock)
438         lockInit(&profMemActiveLock, lockRankProfMemActive)
439         for i := range profMemFutureLock {
440                 lockInit(&profMemFutureLock[i], lockRankProfMemFuture)
441         }
442         lockInit(&globalAlloc.mutex, lockRankGlobalAlloc)
443
444         // Create initial arena growth hints.
445         if goarch.PtrSize == 8 {
446                 // On a 64-bit machine, we pick the following hints
447                 // because:
448                 //
449                 // 1. Starting from the middle of the address space
450                 // makes it easier to grow out a contiguous range
451                 // without running in to some other mapping.
452                 //
453                 // 2. This makes Go heap addresses more easily
454                 // recognizable when debugging.
455                 //
456                 // 3. Stack scanning in gccgo is still conservative,
457                 // so it's important that addresses be distinguishable
458                 // from other data.
459                 //
460                 // Starting at 0x00c0 means that the valid memory addresses
461                 // will begin 0x00c0, 0x00c1, ...
462                 // In little-endian, that's c0 00, c1 00, ... None of those are valid
463                 // UTF-8 sequences, and they are otherwise as far away from
464                 // ff (likely a common byte) as possible. If that fails, we try other 0xXXc0
465                 // addresses. An earlier attempt to use 0x11f8 caused out of memory errors
466                 // on OS X during thread allocations.  0x00c0 causes conflicts with
467                 // AddressSanitizer which reserves all memory up to 0x0100.
468                 // These choices reduce the odds of a conservative garbage collector
469                 // not collecting memory because some non-pointer block of memory
470                 // had a bit pattern that matched a memory address.
471                 //
472                 // However, on arm64, we ignore all this advice above and slam the
473                 // allocation at 0x40 << 32 because when using 4k pages with 3-level
474                 // translation buffers, the user address space is limited to 39 bits
475                 // On ios/arm64, the address space is even smaller.
476                 //
477                 // On AIX, mmaps starts at 0x0A00000000000000 for 64-bit.
478                 // processes.
479                 //
480                 // Space mapped for user arenas comes immediately after the range
481                 // originally reserved for the regular heap when race mode is not
482                 // enabled because user arena chunks can never be used for regular heap
483                 // allocations and we want to avoid fragmenting the address space.
484                 //
485                 // In race mode we have no choice but to just use the same hints because
486                 // the race detector requires that the heap be mapped contiguously.
487                 for i := 0x7f; i >= 0; i-- {
488                         var p uintptr
489                         switch {
490                         case raceenabled:
491                                 // The TSAN runtime requires the heap
492                                 // to be in the range [0x00c000000000,
493                                 // 0x00e000000000).
494                                 p = uintptr(i)<<32 | uintptrMask&(0x00c0<<32)
495                                 if p >= uintptrMask&0x00e000000000 {
496                                         continue
497                                 }
498                         case GOARCH == "arm64" && GOOS == "ios":
499                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x0013<<28)
500                         case GOARCH == "arm64":
501                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x0040<<32)
502                         case GOOS == "aix":
503                                 if i == 0 {
504                                         // We don't use addresses directly after 0x0A00000000000000
505                                         // to avoid collisions with others mmaps done by non-go programs.
506                                         continue
507                                 }
508                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0xa0<<52)
509                         default:
510                                 p = uintptr(i)<<40 | uintptrMask&(0x00c0<<32)
511                         }
512                         // Switch to generating hints for user arenas if we've gone
513                         // through about half the hints. In race mode, take only about
514                         // a quarter; we don't have very much space to work with.
515                         hintList := &mheap_.arenaHints
516                         if (!raceenabled && i > 0x3f) || (raceenabled && i > 0x5f) {
517                                 hintList = &mheap_.userArena.arenaHints
518                         }
519                         hint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
520                         hint.addr = p
521                         hint.next, *hintList = *hintList, hint
522                 }
523         } else {
524                 // On a 32-bit machine, we're much more concerned
525                 // about keeping the usable heap contiguous.
526                 // Hence:
527                 //
528                 // 1. We reserve space for all heapArenas up front so
529                 // they don't get interleaved with the heap. They're
530                 // ~258MB, so this isn't too bad. (We could reserve a
531                 // smaller amount of space up front if this is a
532                 // problem.)
533                 //
534                 // 2. We hint the heap to start right above the end of
535                 // the binary so we have the best chance of keeping it
536                 // contiguous.
537                 //
538                 // 3. We try to stake out a reasonably large initial
539                 // heap reservation.
540
541                 const arenaMetaSize = (1 << arenaBits) * unsafe.Sizeof(heapArena{})
542                 meta := uintptr(sysReserve(nil, arenaMetaSize))
543                 if meta != 0 {
544                         mheap_.heapArenaAlloc.init(meta, arenaMetaSize, true)
545                 }
546
547                 // We want to start the arena low, but if we're linked
548                 // against C code, it's possible global constructors
549                 // have called malloc and adjusted the process' brk.
550                 // Query the brk so we can avoid trying to map the
551                 // region over it (which will cause the kernel to put
552                 // the region somewhere else, likely at a high
553                 // address).
554                 procBrk := sbrk0()
555
556                 // If we ask for the end of the data segment but the
557                 // operating system requires a little more space
558                 // before we can start allocating, it will give out a
559                 // slightly higher pointer. Except QEMU, which is
560                 // buggy, as usual: it won't adjust the pointer
561                 // upward. So adjust it upward a little bit ourselves:
562                 // 1/4 MB to get away from the running binary image.
563                 p := firstmoduledata.end
564                 if p < procBrk {
565                         p = procBrk
566                 }
567                 if mheap_.heapArenaAlloc.next <= p && p < mheap_.heapArenaAlloc.end {
568                         p = mheap_.heapArenaAlloc.end
569                 }
570                 p = alignUp(p+(256<<10), heapArenaBytes)
571                 // Because we're worried about fragmentation on
572                 // 32-bit, we try to make a large initial reservation.
573                 arenaSizes := []uintptr{
574                         512 << 20,
575                         256 << 20,
576                         128 << 20,
577                 }
578                 for _, arenaSize := range arenaSizes {
579                         a, size := sysReserveAligned(unsafe.Pointer(p), arenaSize, heapArenaBytes)
580                         if a != nil {
581                                 mheap_.arena.init(uintptr(a), size, false)
582                                 p = mheap_.arena.end // For hint below
583                                 break
584                         }
585                 }
586                 hint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
587                 hint.addr = p
588                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
589
590                 // Place the hint for user arenas just after the large reservation.
591                 //
592                 // While this potentially competes with the hint above, in practice we probably
593                 // aren't going to be getting this far anyway on 32-bit platforms.
594                 userArenaHint := (*arenaHint)(mheap_.arenaHintAlloc.alloc())
595                 userArenaHint.addr = p
596                 userArenaHint.next, mheap_.userArena.arenaHints = mheap_.userArena.arenaHints, userArenaHint
597         }
598         // Initialize the memory limit here because the allocator is going to look at it
599         // but we haven't called gcinit yet and we're definitely going to allocate memory before then.
600         gcController.memoryLimit.Store(maxInt64)
601 }
602
603 // sysAlloc allocates heap arena space for at least n bytes. The
604 // returned pointer is always heapArenaBytes-aligned and backed by
605 // h.arenas metadata. The returned size is always a multiple of
606 // heapArenaBytes. sysAlloc returns nil on failure.
607 // There is no corresponding free function.
608 //
609 // hintList is a list of hint addresses for where to allocate new
610 // heap arenas. It must be non-nil.
611 //
612 // register indicates whether the heap arena should be registered
613 // in allArenas.
614 //
615 // sysAlloc returns a memory region in the Reserved state. This region must
616 // be transitioned to Prepared and then Ready before use.
617 //
618 // h must be locked.
619 func (h *mheap) sysAlloc(n uintptr, hintList **arenaHint, register bool) (v unsafe.Pointer, size uintptr) {
620         assertLockHeld(&h.lock)
621
622         n = alignUp(n, heapArenaBytes)
623
624         if hintList == &h.arenaHints {
625                 // First, try the arena pre-reservation.
626                 // Newly-used mappings are considered released.
627                 //
628                 // Only do this if we're using the regular heap arena hints.
629                 // This behavior is only for the heap.
630                 v = h.arena.alloc(n, heapArenaBytes, &gcController.heapReleased)
631                 if v != nil {
632                         size = n
633                         goto mapped
634                 }
635         }
636
637         // Try to grow the heap at a hint address.
638         for *hintList != nil {
639                 hint := *hintList
640                 p := hint.addr
641                 if hint.down {
642                         p -= n
643                 }
644                 if p+n < p {
645                         // We can't use this, so don't ask.
646                         v = nil
647                 } else if arenaIndex(p+n-1) >= 1<<arenaBits {
648                         // Outside addressable heap. Can't use.
649                         v = nil
650                 } else {
651                         v = sysReserve(unsafe.Pointer(p), n)
652                 }
653                 if p == uintptr(v) {
654                         // Success. Update the hint.
655                         if !hint.down {
656                                 p += n
657                         }
658                         hint.addr = p
659                         size = n
660                         break
661                 }
662                 // Failed. Discard this hint and try the next.
663                 //
664                 // TODO: This would be cleaner if sysReserve could be
665                 // told to only return the requested address. In
666                 // particular, this is already how Windows behaves, so
667                 // it would simplify things there.
668                 if v != nil {
669                         sysFreeOS(v, n)
670                 }
671                 *hintList = hint.next
672                 h.arenaHintAlloc.free(unsafe.Pointer(hint))
673         }
674
675         if size == 0 {
676                 if raceenabled {
677                         // The race detector assumes the heap lives in
678                         // [0x00c000000000, 0x00e000000000), but we
679                         // just ran out of hints in this region. Give
680                         // a nice failure.
681                         throw("too many address space collisions for -race mode")
682                 }
683
684                 // All of the hints failed, so we'll take any
685                 // (sufficiently aligned) address the kernel will give
686                 // us.
687                 v, size = sysReserveAligned(nil, n, heapArenaBytes)
688                 if v == nil {
689                         return nil, 0
690                 }
691
692                 // Create new hints for extending this region.
693                 hint := (*arenaHint)(h.arenaHintAlloc.alloc())
694                 hint.addr, hint.down = uintptr(v), true
695                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
696                 hint = (*arenaHint)(h.arenaHintAlloc.alloc())
697                 hint.addr = uintptr(v) + size
698                 hint.next, mheap_.arenaHints = mheap_.arenaHints, hint
699         }
700
701         // Check for bad pointers or pointers we can't use.
702         {
703                 var bad string
704                 p := uintptr(v)
705                 if p+size < p {
706                         bad = "region exceeds uintptr range"
707                 } else if arenaIndex(p) >= 1<<arenaBits {
708                         bad = "base outside usable address space"
709                 } else if arenaIndex(p+size-1) >= 1<<arenaBits {
710                         bad = "end outside usable address space"
711                 }
712                 if bad != "" {
713                         // This should be impossible on most architectures,
714                         // but it would be really confusing to debug.
715                         print("runtime: memory allocated by OS [", hex(p), ", ", hex(p+size), ") not in usable address space: ", bad, "\n")
716                         throw("memory reservation exceeds address space limit")
717                 }
718         }
719
720         if uintptr(v)&(heapArenaBytes-1) != 0 {
721                 throw("misrounded allocation in sysAlloc")
722         }
723
724 mapped:
725         // Create arena metadata.
726         for ri := arenaIndex(uintptr(v)); ri <= arenaIndex(uintptr(v)+size-1); ri++ {
727                 l2 := h.arenas[ri.l1()]
728                 if l2 == nil {
729                         // Allocate an L2 arena map.
730                         //
731                         // Use sysAllocOS instead of sysAlloc or persistentalloc because there's no
732                         // statistic we can comfortably account for this space in. With this structure,
733                         // we rely on demand paging to avoid large overheads, but tracking which memory
734                         // is paged in is too expensive. Trying to account for the whole region means
735                         // that it will appear like an enormous memory overhead in statistics, even though
736                         // it is not.
737                         l2 = (*[1 << arenaL2Bits]*heapArena)(sysAllocOS(unsafe.Sizeof(*l2)))
738                         if l2 == nil {
739                                 throw("out of memory allocating heap arena map")
740                         }
741                         if h.arenasHugePages {
742                                 sysHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
743                         } else {
744                                 sysNoHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
745                         }
746                         atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&h.arenas[ri.l1()]), unsafe.Pointer(l2))
747                 }
748
749                 if l2[ri.l2()] != nil {
750                         throw("arena already initialized")
751                 }
752                 var r *heapArena
753                 r = (*heapArena)(h.heapArenaAlloc.alloc(unsafe.Sizeof(*r), goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
754                 if r == nil {
755                         r = (*heapArena)(persistentalloc(unsafe.Sizeof(*r), goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
756                         if r == nil {
757                                 throw("out of memory allocating heap arena metadata")
758                         }
759                 }
760
761                 // Register the arena in allArenas if requested.
762                 if register {
763                         if len(h.allArenas) == cap(h.allArenas) {
764                                 size := 2 * uintptr(cap(h.allArenas)) * goarch.PtrSize
765                                 if size == 0 {
766                                         size = physPageSize
767                                 }
768                                 newArray := (*notInHeap)(persistentalloc(size, goarch.PtrSize, &memstats.gcMiscSys))
769                                 if newArray == nil {
770                                         throw("out of memory allocating allArenas")
771                                 }
772                                 oldSlice := h.allArenas
773                                 *(*notInHeapSlice)(unsafe.Pointer(&h.allArenas)) = notInHeapSlice{newArray, len(h.allArenas), int(size / goarch.PtrSize)}
774                                 copy(h.allArenas, oldSlice)
775                                 // Do not free the old backing array because
776                                 // there may be concurrent readers. Since we
777                                 // double the array each time, this can lead
778                                 // to at most 2x waste.
779                         }
780                         h.allArenas = h.allArenas[:len(h.allArenas)+1]
781                         h.allArenas[len(h.allArenas)-1] = ri
782                 }
783
784                 // Store atomically just in case an object from the
785                 // new heap arena becomes visible before the heap lock
786                 // is released (which shouldn't happen, but there's
787                 // little downside to this).
788                 atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(&l2[ri.l2()]), unsafe.Pointer(r))
789         }
790
791         // Tell the race detector about the new heap memory.
792         if raceenabled {
793                 racemapshadow(v, size)
794         }
795
796         return
797 }
798
799 // sysReserveAligned is like sysReserve, but the returned pointer is
800 // aligned to align bytes. It may reserve either n or n+align bytes,
801 // so it returns the size that was reserved.
802 func sysReserveAligned(v unsafe.Pointer, size, align uintptr) (unsafe.Pointer, uintptr) {
803         // Since the alignment is rather large in uses of this
804         // function, we're not likely to get it by chance, so we ask
805         // for a larger region and remove the parts we don't need.
806         retries := 0
807 retry:
808         p := uintptr(sysReserve(v, size+align))
809         switch {
810         case p == 0:
811                 return nil, 0
812         case p&(align-1) == 0:
813                 return unsafe.Pointer(p), size + align
814         case GOOS == "windows":
815                 // On Windows we can't release pieces of a
816                 // reservation, so we release the whole thing and
817                 // re-reserve the aligned sub-region. This may race,
818                 // so we may have to try again.
819                 sysFreeOS(unsafe.Pointer(p), size+align)
820                 p = alignUp(p, align)
821                 p2 := sysReserve(unsafe.Pointer(p), size)
822                 if p != uintptr(p2) {
823                         // Must have raced. Try again.
824                         sysFreeOS(p2, size)
825                         if retries++; retries == 100 {
826                                 throw("failed to allocate aligned heap memory; too many retries")
827                         }
828                         goto retry
829                 }
830                 // Success.
831                 return p2, size
832         default:
833                 // Trim off the unaligned parts.
834                 pAligned := alignUp(p, align)
835                 sysFreeOS(unsafe.Pointer(p), pAligned-p)
836                 end := pAligned + size
837                 endLen := (p + size + align) - end
838                 if endLen > 0 {
839                         sysFreeOS(unsafe.Pointer(end), endLen)
840                 }
841                 return unsafe.Pointer(pAligned), size
842         }
843 }
844
845 // enableMetadataHugePages enables huge pages for various sources of heap metadata.
846 //
847 // A note on latency: for sufficiently small heaps (<10s of GiB) this function will take constant
848 // time, but may take time proportional to the size of the mapped heap beyond that.
849 //
850 // This function is idempotent.
851 //
852 // The heap lock must not be held over this operation, since it will briefly acquire
853 // the heap lock.
854 func (h *mheap) enableMetadataHugePages() {
855         // Enable huge pages for page structure.
856         h.pages.enableChunkHugePages()
857
858         // Grab the lock and set arenasHugePages if it's not.
859         //
860         // Once arenasHugePages is set, all new L2 entries will be eligible for
861         // huge pages. We'll set all the old entries after we release the lock.
862         lock(&h.lock)
863         if h.arenasHugePages {
864                 unlock(&h.lock)
865                 return
866         }
867         h.arenasHugePages = true
868         unlock(&h.lock)
869
870         // N.B. The arenas L1 map is quite small on all platforms, so it's fine to
871         // just iterate over the whole thing.
872         for i := range h.arenas {
873                 l2 := (*[1 << arenaL2Bits]*heapArena)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(&h.arenas[i])))
874                 if l2 == nil {
875                         continue
876                 }
877                 sysHugePage(unsafe.Pointer(l2), unsafe.Sizeof(*l2))
878         }
879 }
880
881 // base address for all 0-byte allocations
882 var zerobase uintptr
883
884 // nextFreeFast returns the next free object if one is quickly available.
885 // Otherwise it returns 0.
886 func nextFreeFast(s *mspan) gclinkptr {
887         theBit := sys.TrailingZeros64(s.allocCache) // Is there a free object in the allocCache?
888         if theBit < 64 {
889                 result := s.freeindex + uint16(theBit)
890                 if result < s.nelems {
891                         freeidx := result + 1
892                         if freeidx%64 == 0 && freeidx != s.nelems {
893                                 return 0
894                         }
895                         s.allocCache >>= uint(theBit + 1)
896                         s.freeindex = freeidx
897                         s.allocCount++
898                         return gclinkptr(uintptr(result)*s.elemsize + s.base())
899                 }
900         }
901         return 0
902 }
903
904 // nextFree returns the next free object from the cached span if one is available.
905 // Otherwise it refills the cache with a span with an available object and
906 // returns that object along with a flag indicating that this was a heavy
907 // weight allocation. If it is a heavy weight allocation the caller must
908 // determine whether a new GC cycle needs to be started or if the GC is active
909 // whether this goroutine needs to assist the GC.
910 //
911 // Must run in a non-preemptible context since otherwise the owner of
912 // c could change.
913 func (c *mcache) nextFree(spc spanClass) (v gclinkptr, s *mspan, shouldhelpgc bool) {
914         s = c.alloc[spc]
915         shouldhelpgc = false
916         freeIndex := s.nextFreeIndex()
917         if freeIndex == s.nelems {
918                 // The span is full.
919                 if s.allocCount != s.nelems {
920                         println("runtime: s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
921                         throw("s.allocCount != s.nelems && freeIndex == s.nelems")
922                 }
923                 c.refill(spc)
924                 shouldhelpgc = true
925                 s = c.alloc[spc]
926
927                 freeIndex = s.nextFreeIndex()
928         }
929
930         if freeIndex >= s.nelems {
931                 throw("freeIndex is not valid")
932         }
933
934         v = gclinkptr(uintptr(freeIndex)*s.elemsize + s.base())
935         s.allocCount++
936         if s.allocCount > s.nelems {
937                 println("s.allocCount=", s.allocCount, "s.nelems=", s.nelems)
938                 throw("s.allocCount > s.nelems")
939         }
940         return
941 }
942
943 // Allocate an object of size bytes.
944 // Small objects are allocated from the per-P cache's free lists.
945 // Large objects (> 32 kB) are allocated straight from the heap.
946 func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
947         if gcphase == _GCmarktermination {
948                 throw("mallocgc called with gcphase == _GCmarktermination")
949         }
950
951         if size == 0 {
952                 return unsafe.Pointer(&zerobase)
953         }
954
955         // It's possible for any malloc to trigger sweeping, which may in
956         // turn queue finalizers. Record this dynamic lock edge.
957         lockRankMayQueueFinalizer()
958
959         userSize := size
960         if asanenabled {
961                 // Refer to ASAN runtime library, the malloc() function allocates extra memory,
962                 // the redzone, around the user requested memory region. And the redzones are marked
963                 // as unaddressable. We perform the same operations in Go to detect the overflows or
964                 // underflows.
965                 size += computeRZlog(size)
966         }
967
968         if debug.malloc {
969                 if debug.sbrk != 0 {
970                         align := uintptr(16)
971                         if typ != nil {
972                                 // TODO(austin): This should be just
973                                 //   align = uintptr(typ.align)
974                                 // but that's only 4 on 32-bit platforms,
975                                 // even if there's a uint64 field in typ (see #599).
976                                 // This causes 64-bit atomic accesses to panic.
977                                 // Hence, we use stricter alignment that matches
978                                 // the normal allocator better.
979                                 if size&7 == 0 {
980                                         align = 8
981                                 } else if size&3 == 0 {
982                                         align = 4
983                                 } else if size&1 == 0 {
984                                         align = 2
985                                 } else {
986                                         align = 1
987                                 }
988                         }
989                         return persistentalloc(size, align, &memstats.other_sys)
990                 }
991
992                 if inittrace.active && inittrace.id == getg().goid {
993                         // Init functions are executed sequentially in a single goroutine.
994                         inittrace.allocs += 1
995                 }
996         }
997
998         // assistG is the G to charge for this allocation, or nil if
999         // GC is not currently active.
1000         assistG := deductAssistCredit(size)
1001
1002         // Set mp.mallocing to keep from being preempted by GC.
1003         mp := acquirem()
1004         if mp.mallocing != 0 {
1005                 throw("malloc deadlock")
1006         }
1007         if mp.gsignal == getg() {
1008                 throw("malloc during signal")
1009         }
1010         mp.mallocing = 1
1011
1012         shouldhelpgc := false
1013         dataSize := userSize
1014         c := getMCache(mp)
1015         if c == nil {
1016                 throw("mallocgc called without a P or outside bootstrapping")
1017         }
1018         var span *mspan
1019         var x unsafe.Pointer
1020         noscan := typ == nil || typ.PtrBytes == 0
1021         // In some cases block zeroing can profitably (for latency reduction purposes)
1022         // be delayed till preemption is possible; delayedZeroing tracks that state.
1023         delayedZeroing := false
1024         if size <= maxSmallSize {
1025                 if noscan && size < maxTinySize {
1026                         // Tiny allocator.
1027                         //
1028                         // Tiny allocator combines several tiny allocation requests
1029                         // into a single memory block. The resulting memory block
1030                         // is freed when all subobjects are unreachable. The subobjects
1031                         // must be noscan (don't have pointers), this ensures that
1032                         // the amount of potentially wasted memory is bounded.
1033                         //
1034                         // Size of the memory block used for combining (maxTinySize) is tunable.
1035                         // Current setting is 16 bytes, which relates to 2x worst case memory
1036                         // wastage (when all but one subobjects are unreachable).
1037                         // 8 bytes would result in no wastage at all, but provides less
1038                         // opportunities for combining.
1039                         // 32 bytes provides more opportunities for combining,
1040                         // but can lead to 4x worst case wastage.
1041                         // The best case winning is 8x regardless of block size.
1042                         //
1043                         // Objects obtained from tiny allocator must not be freed explicitly.
1044                         // So when an object will be freed explicitly, we ensure that
1045                         // its size >= maxTinySize.
1046                         //
1047                         // SetFinalizer has a special case for objects potentially coming
1048                         // from tiny allocator, it such case it allows to set finalizers
1049                         // for an inner byte of a memory block.
1050                         //
1051                         // The main targets of tiny allocator are small strings and
1052                         // standalone escaping variables. On a json benchmark
1053                         // the allocator reduces number of allocations by ~12% and
1054                         // reduces heap size by ~20%.
1055                         off := c.tinyoffset
1056                         // Align tiny pointer for required (conservative) alignment.
1057                         if size&7 == 0 {
1058                                 off = alignUp(off, 8)
1059                         } else if goarch.PtrSize == 4 && size == 12 {
1060                                 // Conservatively align 12-byte objects to 8 bytes on 32-bit
1061                                 // systems so that objects whose first field is a 64-bit
1062                                 // value is aligned to 8 bytes and does not cause a fault on
1063                                 // atomic access. See issue 37262.
1064                                 // TODO(mknyszek): Remove this workaround if/when issue 36606
1065                                 // is resolved.
1066                                 off = alignUp(off, 8)
1067                         } else if size&3 == 0 {
1068                                 off = alignUp(off, 4)
1069                         } else if size&1 == 0 {
1070                                 off = alignUp(off, 2)
1071                         }
1072                         if off+size <= maxTinySize && c.tiny != 0 {
1073                                 // The object fits into existing tiny block.
1074                                 x = unsafe.Pointer(c.tiny + off)
1075                                 c.tinyoffset = off + size
1076                                 c.tinyAllocs++
1077                                 mp.mallocing = 0
1078                                 releasem(mp)
1079                                 return x
1080                         }
1081                         // Allocate a new maxTinySize block.
1082                         span = c.alloc[tinySpanClass]
1083                         v := nextFreeFast(span)
1084                         if v == 0 {
1085                                 v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(tinySpanClass)
1086                         }
1087                         x = unsafe.Pointer(v)
1088                         (*[2]uint64)(x)[0] = 0
1089                         (*[2]uint64)(x)[1] = 0
1090                         // See if we need to replace the existing tiny block with the new one
1091                         // based on amount of remaining free space.
1092                         if !raceenabled && (size < c.tinyoffset || c.tiny == 0) {
1093                                 // Note: disabled when race detector is on, see comment near end of this function.
1094                                 c.tiny = uintptr(x)
1095                                 c.tinyoffset = size
1096                         }
1097                         size = maxTinySize
1098                 } else {
1099                         var sizeclass uint8
1100                         if size <= smallSizeMax-8 {
1101                                 sizeclass = size_to_class8[divRoundUp(size, smallSizeDiv)]
1102                         } else {
1103                                 sizeclass = size_to_class128[divRoundUp(size-smallSizeMax, largeSizeDiv)]
1104                         }
1105                         size = uintptr(class_to_size[sizeclass])
1106                         spc := makeSpanClass(sizeclass, noscan)
1107                         span = c.alloc[spc]
1108                         v := nextFreeFast(span)
1109                         if v == 0 {
1110                                 v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(spc)
1111                         }
1112                         x = unsafe.Pointer(v)
1113                         if needzero && span.needzero != 0 {
1114                                 memclrNoHeapPointers(x, size)
1115                         }
1116                 }
1117         } else {
1118                 shouldhelpgc = true
1119                 // For large allocations, keep track of zeroed state so that
1120                 // bulk zeroing can be happen later in a preemptible context.
1121                 span = c.allocLarge(size, noscan)
1122                 span.freeindex = 1
1123                 span.allocCount = 1
1124                 size = span.elemsize
1125                 x = unsafe.Pointer(span.base())
1126                 if needzero && span.needzero != 0 {
1127                         if noscan {
1128                                 delayedZeroing = true
1129                         } else {
1130                                 memclrNoHeapPointers(x, size)
1131                                 // We've in theory cleared almost the whole span here,
1132                                 // and could take the extra step of actually clearing
1133                                 // the whole thing. However, don't. Any GC bits for the
1134                                 // uncleared parts will be zero, and it's just going to
1135                                 // be needzero = 1 once freed anyway.
1136                         }
1137                 }
1138         }
1139
1140         if !noscan {
1141                 var scanSize uintptr
1142                 heapBitsSetType(uintptr(x), size, dataSize, typ)
1143                 if dataSize > typ.Size_ {
1144                         // Array allocation. If there are any
1145                         // pointers, GC has to scan to the last
1146                         // element.
1147                         if typ.PtrBytes != 0 {
1148                                 scanSize = dataSize - typ.Size_ + typ.PtrBytes
1149                         }
1150                 } else {
1151                         scanSize = typ.PtrBytes
1152                 }
1153                 c.scanAlloc += scanSize
1154         }
1155
1156         // Ensure that the stores above that initialize x to
1157         // type-safe memory and set the heap bits occur before
1158         // the caller can make x observable to the garbage
1159         // collector. Otherwise, on weakly ordered machines,
1160         // the garbage collector could follow a pointer to x,
1161         // but see uninitialized memory or stale heap bits.
1162         publicationBarrier()
1163         // As x and the heap bits are initialized, update
1164         // freeIndexForScan now so x is seen by the GC
1165         // (including conservative scan) as an allocated object.
1166         // While this pointer can't escape into user code as a
1167         // _live_ pointer until we return, conservative scanning
1168         // may find a dead pointer that happens to point into this
1169         // object. Delaying this update until now ensures that
1170         // conservative scanning considers this pointer dead until
1171         // this point.
1172         span.freeIndexForScan = span.freeindex
1173
1174         // Allocate black during GC.
1175         // All slots hold nil so no scanning is needed.
1176         // This may be racing with GC so do it atomically if there can be
1177         // a race marking the bit.
1178         if gcphase != _GCoff {
1179                 gcmarknewobject(span, uintptr(x), size)
1180         }
1181
1182         if raceenabled {
1183                 racemalloc(x, size)
1184         }
1185
1186         if msanenabled {
1187                 msanmalloc(x, size)
1188         }
1189
1190         if asanenabled {
1191                 // We should only read/write the memory with the size asked by the user.
1192                 // The rest of the allocated memory should be poisoned, so that we can report
1193                 // errors when accessing poisoned memory.
1194                 // The allocated memory is larger than required userSize, it will also include
1195                 // redzone and some other padding bytes.
1196                 rzBeg := unsafe.Add(x, userSize)
1197                 asanpoison(rzBeg, size-userSize)
1198                 asanunpoison(x, userSize)
1199         }
1200
1201         if rate := MemProfileRate; rate > 0 {
1202                 // Note cache c only valid while m acquired; see #47302
1203                 if rate != 1 && size < c.nextSample {
1204                         c.nextSample -= size
1205                 } else {
1206                         profilealloc(mp, x, size)
1207                 }
1208         }
1209         mp.mallocing = 0
1210         releasem(mp)
1211
1212         // Pointerfree data can be zeroed late in a context where preemption can occur.
1213         // x will keep the memory alive.
1214         if delayedZeroing {
1215                 if !noscan {
1216                         throw("delayed zeroing on data that may contain pointers")
1217                 }
1218                 memclrNoHeapPointersChunked(size, x) // This is a possible preemption point: see #47302
1219         }
1220
1221         if debug.malloc {
1222                 if debug.allocfreetrace != 0 {
1223                         tracealloc(x, size, typ)
1224                 }
1225
1226                 if inittrace.active && inittrace.id == getg().goid {
1227                         // Init functions are executed sequentially in a single goroutine.
1228                         inittrace.bytes += uint64(size)
1229                 }
1230         }
1231
1232         if assistG != nil {
1233                 // Account for internal fragmentation in the assist
1234                 // debt now that we know it.
1235                 assistG.gcAssistBytes -= int64(size - dataSize)
1236         }
1237
1238         if shouldhelpgc {
1239                 if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerHeap}); t.test() {
1240                         gcStart(t)
1241                 }
1242         }
1243
1244         if raceenabled && noscan && dataSize < maxTinySize {
1245                 // Pad tinysize allocations so they are aligned with the end
1246                 // of the tinyalloc region. This ensures that any arithmetic
1247                 // that goes off the top end of the object will be detectable
1248                 // by checkptr (issue 38872).
1249                 // Note that we disable tinyalloc when raceenabled for this to work.
1250                 // TODO: This padding is only performed when the race detector
1251                 // is enabled. It would be nice to enable it if any package
1252                 // was compiled with checkptr, but there's no easy way to
1253                 // detect that (especially at compile time).
1254                 // TODO: enable this padding for all allocations, not just
1255                 // tinyalloc ones. It's tricky because of pointer maps.
1256                 // Maybe just all noscan objects?
1257                 x = add(x, size-dataSize)
1258         }
1259
1260         return x
1261 }
1262
1263 // deductAssistCredit reduces the current G's assist credit
1264 // by size bytes, and assists the GC if necessary.
1265 //
1266 // Caller must be preemptible.
1267 //
1268 // Returns the G for which the assist credit was accounted.
1269 func deductAssistCredit(size uintptr) *g {
1270         var assistG *g
1271         if gcBlackenEnabled != 0 {
1272                 // Charge the current user G for this allocation.
1273                 assistG = getg()
1274                 if assistG.m.curg != nil {
1275                         assistG = assistG.m.curg
1276                 }
1277                 // Charge the allocation against the G. We'll account
1278                 // for internal fragmentation at the end of mallocgc.
1279                 assistG.gcAssistBytes -= int64(size)
1280
1281                 if assistG.gcAssistBytes < 0 {
1282                         // This G is in debt. Assist the GC to correct
1283                         // this before allocating. This must happen
1284                         // before disabling preemption.
1285                         gcAssistAlloc(assistG)
1286                 }
1287         }
1288         return assistG
1289 }
1290
1291 // memclrNoHeapPointersChunked repeatedly calls memclrNoHeapPointers
1292 // on chunks of the buffer to be zeroed, with opportunities for preemption
1293 // along the way.  memclrNoHeapPointers contains no safepoints and also
1294 // cannot be preemptively scheduled, so this provides a still-efficient
1295 // block copy that can also be preempted on a reasonable granularity.
1296 //
1297 // Use this with care; if the data being cleared is tagged to contain
1298 // pointers, this allows the GC to run before it is all cleared.
1299 func memclrNoHeapPointersChunked(size uintptr, x unsafe.Pointer) {
1300         v := uintptr(x)
1301         // got this from benchmarking. 128k is too small, 512k is too large.
1302         const chunkBytes = 256 * 1024
1303         vsize := v + size
1304         for voff := v; voff < vsize; voff = voff + chunkBytes {
1305                 if getg().preempt {
1306                         // may hold locks, e.g., profiling
1307                         goschedguarded()
1308                 }
1309                 // clear min(avail, lump) bytes
1310                 n := vsize - voff
1311                 if n > chunkBytes {
1312                         n = chunkBytes
1313                 }
1314                 memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(voff), n)
1315         }
1316 }
1317
1318 // implementation of new builtin
1319 // compiler (both frontend and SSA backend) knows the signature
1320 // of this function.
1321 func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
1322         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1323 }
1324
1325 //go:linkname reflect_unsafe_New reflect.unsafe_New
1326 func reflect_unsafe_New(typ *_type) unsafe.Pointer {
1327         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1328 }
1329
1330 //go:linkname reflectlite_unsafe_New internal/reflectlite.unsafe_New
1331 func reflectlite_unsafe_New(typ *_type) unsafe.Pointer {
1332         return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1333 }
1334
1335 // newarray allocates an array of n elements of type typ.
1336 func newarray(typ *_type, n int) unsafe.Pointer {
1337         if n == 1 {
1338                 return mallocgc(typ.Size_, typ, true)
1339         }
1340         mem, overflow := math.MulUintptr(typ.Size_, uintptr(n))
1341         if overflow || mem > maxAlloc || n < 0 {
1342                 panic(plainError("runtime: allocation size out of range"))
1343         }
1344         return mallocgc(mem, typ, true)
1345 }
1346
1347 //go:linkname reflect_unsafe_NewArray reflect.unsafe_NewArray
1348 func reflect_unsafe_NewArray(typ *_type, n int) unsafe.Pointer {
1349         return newarray(typ, n)
1350 }
1351
1352 func profilealloc(mp *m, x unsafe.Pointer, size uintptr) {
1353         c := getMCache(mp)
1354         if c == nil {
1355                 throw("profilealloc called without a P or outside bootstrapping")
1356         }
1357         c.nextSample = nextSample()
1358         mProf_Malloc(x, size)
1359 }
1360
1361 // nextSample returns the next sampling point for heap profiling. The goal is
1362 // to sample allocations on average every MemProfileRate bytes, but with a
1363 // completely random distribution over the allocation timeline; this
1364 // corresponds to a Poisson process with parameter MemProfileRate. In Poisson
1365 // processes, the distance between two samples follows the exponential
1366 // distribution (exp(MemProfileRate)), so the best return value is a random
1367 // number taken from an exponential distribution whose mean is MemProfileRate.
1368 func nextSample() uintptr {
1369         if MemProfileRate == 1 {
1370                 // Callers assign our return value to
1371                 // mcache.next_sample, but next_sample is not used
1372                 // when the rate is 1. So avoid the math below and
1373                 // just return something.
1374                 return 0
1375         }
1376         if GOOS == "plan9" {
1377                 // Plan 9 doesn't support floating point in note handler.
1378                 if gp := getg(); gp == gp.m.gsignal {
1379                         return nextSampleNoFP()
1380                 }
1381         }
1382
1383         return uintptr(fastexprand(MemProfileRate))
1384 }
1385
1386 // fastexprand returns a random number from an exponential distribution with
1387 // the specified mean.
1388 func fastexprand(mean int) int32 {
1389         // Avoid overflow. Maximum possible step is
1390         // -ln(1/(1<<randomBitCount)) * mean, approximately 20 * mean.
1391         switch {
1392         case mean > 0x7000000:
1393                 mean = 0x7000000
1394         case mean == 0:
1395                 return 0
1396         }
1397
1398         // Take a random sample of the exponential distribution exp(-mean*x).
1399         // The probability distribution function is mean*exp(-mean*x), so the CDF is
1400         // p = 1 - exp(-mean*x), so
1401         // q = 1 - p == exp(-mean*x)
1402         // log_e(q) = -mean*x
1403         // -log_e(q)/mean = x
1404         // x = -log_e(q) * mean
1405         // x = log_2(q) * (-log_e(2)) * mean    ; Using log_2 for efficiency
1406         const randomBitCount = 26
1407         q := fastrandn(1<<randomBitCount) + 1
1408         qlog := fastlog2(float64(q)) - randomBitCount
1409         if qlog > 0 {
1410                 qlog = 0
1411         }
1412         const minusLog2 = -0.6931471805599453 // -ln(2)
1413         return int32(qlog*(minusLog2*float64(mean))) + 1
1414 }
1415
1416 // nextSampleNoFP is similar to nextSample, but uses older,
1417 // simpler code to avoid floating point.
1418 func nextSampleNoFP() uintptr {
1419         // Set first allocation sample size.
1420         rate := MemProfileRate
1421         if rate > 0x3fffffff { // make 2*rate not overflow
1422                 rate = 0x3fffffff
1423         }
1424         if rate != 0 {
1425                 return uintptr(fastrandn(uint32(2 * rate)))
1426         }
1427         return 0
1428 }
1429
1430 type persistentAlloc struct {
1431         base *notInHeap
1432         off  uintptr
1433 }
1434
1435 var globalAlloc struct {
1436         mutex
1437         persistentAlloc
1438 }
1439
1440 // persistentChunkSize is the number of bytes we allocate when we grow
1441 // a persistentAlloc.
1442 const persistentChunkSize = 256 << 10
1443
1444 // persistentChunks is a list of all the persistent chunks we have
1445 // allocated. The list is maintained through the first word in the
1446 // persistent chunk. This is updated atomically.
1447 var persistentChunks *notInHeap
1448
1449 // Wrapper around sysAlloc that can allocate small chunks.
1450 // There is no associated free operation.
1451 // Intended for things like function/type/debug-related persistent data.
1452 // If align is 0, uses default align (currently 8).
1453 // The returned memory will be zeroed.
1454 // sysStat must be non-nil.
1455 //
1456 // Consider marking persistentalloc'd types not in heap by embedding
1457 // runtime/internal/sys.NotInHeap.
1458 func persistentalloc(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) unsafe.Pointer {
1459         var p *notInHeap
1460         systemstack(func() {
1461                 p = persistentalloc1(size, align, sysStat)
1462         })
1463         return unsafe.Pointer(p)
1464 }
1465
1466 // Must run on system stack because stack growth can (re)invoke it.
1467 // See issue 9174.
1468 //
1469 //go:systemstack
1470 func persistentalloc1(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) *notInHeap {
1471         const (
1472                 maxBlock = 64 << 10 // VM reservation granularity is 64K on windows
1473         )
1474
1475         if size == 0 {
1476                 throw("persistentalloc: size == 0")
1477         }
1478         if align != 0 {
1479                 if align&(align-1) != 0 {
1480                         throw("persistentalloc: align is not a power of 2")
1481                 }
1482                 if align > _PageSize {
1483                         throw("persistentalloc: align is too large")
1484                 }
1485         } else {
1486                 align = 8
1487         }
1488
1489         if size >= maxBlock {
1490                 return (*notInHeap)(sysAlloc(size, sysStat))
1491         }
1492
1493         mp := acquirem()
1494         var persistent *persistentAlloc
1495         if mp != nil && mp.p != 0 {
1496                 persistent = &mp.p.ptr().palloc
1497         } else {
1498                 lock(&globalAlloc.mutex)
1499                 persistent = &globalAlloc.persistentAlloc
1500         }
1501         persistent.off = alignUp(persistent.off, align)
1502         if persistent.off+size > persistentChunkSize || persistent.base == nil {
1503                 persistent.base = (*notInHeap)(sysAlloc(persistentChunkSize, &memstats.other_sys))
1504                 if persistent.base == nil {
1505                         if persistent == &globalAlloc.persistentAlloc {
1506                                 unlock(&globalAlloc.mutex)
1507                         }
1508                         throw("runtime: cannot allocate memory")
1509                 }
1510
1511                 // Add the new chunk to the persistentChunks list.
1512                 for {
1513                         chunks := uintptr(unsafe.Pointer(persistentChunks))
1514                         *(*uintptr)(unsafe.Pointer(persistent.base)) = chunks
1515                         if atomic.Casuintptr((*uintptr)(unsafe.Pointer(&persistentChunks)), chunks, uintptr(unsafe.Pointer(persistent.base))) {
1516                                 break
1517                         }
1518                 }
1519                 persistent.off = alignUp(goarch.PtrSize, align)
1520         }
1521         p := persistent.base.add(persistent.off)
1522         persistent.off += size
1523         releasem(mp)
1524         if persistent == &globalAlloc.persistentAlloc {
1525                 unlock(&globalAlloc.mutex)
1526         }
1527
1528         if sysStat != &memstats.other_sys {
1529                 sysStat.add(int64(size))
1530                 memstats.other_sys.add(-int64(size))
1531         }
1532         return p
1533 }
1534
1535 // inPersistentAlloc reports whether p points to memory allocated by
1536 // persistentalloc. This must be nosplit because it is called by the
1537 // cgo checker code, which is called by the write barrier code.
1538 //
1539 //go:nosplit
1540 func inPersistentAlloc(p uintptr) bool {
1541         chunk := atomic.Loaduintptr((*uintptr)(unsafe.Pointer(&persistentChunks)))
1542         for chunk != 0 {
1543                 if p >= chunk && p < chunk+persistentChunkSize {
1544                         return true
1545                 }
1546                 chunk = *(*uintptr)(unsafe.Pointer(chunk))
1547         }
1548         return false
1549 }
1550
1551 // linearAlloc is a simple linear allocator that pre-reserves a region
1552 // of memory and then optionally maps that region into the Ready state
1553 // as needed.
1554 //
1555 // The caller is responsible for locking.
1556 type linearAlloc struct {
1557         next   uintptr // next free byte
1558         mapped uintptr // one byte past end of mapped space
1559         end    uintptr // end of reserved space
1560
1561         mapMemory bool // transition memory from Reserved to Ready if true
1562 }
1563
1564 func (l *linearAlloc) init(base, size uintptr, mapMemory bool) {
1565         if base+size < base {
1566                 // Chop off the last byte. The runtime isn't prepared
1567                 // to deal with situations where the bounds could overflow.
1568                 // Leave that memory reserved, though, so we don't map it
1569                 // later.
1570                 size -= 1
1571         }
1572         l.next, l.mapped = base, base
1573         l.end = base + size
1574         l.mapMemory = mapMemory
1575 }
1576
1577 func (l *linearAlloc) alloc(size, align uintptr, sysStat *sysMemStat) unsafe.Pointer {
1578         p := alignUp(l.next, align)
1579         if p+size > l.end {
1580                 return nil
1581         }
1582         l.next = p + size
1583         if pEnd := alignUp(l.next-1, physPageSize); pEnd > l.mapped {
1584                 if l.mapMemory {
1585                         // Transition from Reserved to Prepared to Ready.
1586                         n := pEnd - l.mapped
1587                         sysMap(unsafe.Pointer(l.mapped), n, sysStat)
1588                         sysUsed(unsafe.Pointer(l.mapped), n, n)
1589                 }
1590                 l.mapped = pEnd
1591         }
1592         return unsafe.Pointer(p)
1593 }
1594
1595 // notInHeap is off-heap memory allocated by a lower-level allocator
1596 // like sysAlloc or persistentAlloc.
1597 //
1598 // In general, it's better to use real types which embed
1599 // runtime/internal/sys.NotInHeap, but this serves as a generic type
1600 // for situations where that isn't possible (like in the allocators).
1601 //
1602 // TODO: Use this as the return type of sysAlloc, persistentAlloc, etc?
1603 type notInHeap struct{ _ sys.NotInHeap }
1604
1605 func (p *notInHeap) add(bytes uintptr) *notInHeap {
1606         return (*notInHeap)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(p)) + bytes))
1607 }
1608
1609 // computeRZlog computes the size of the redzone.
1610 // Refer to the implementation of the compiler-rt.
1611 func computeRZlog(userSize uintptr) uintptr {
1612         switch {
1613         case userSize <= (64 - 16):
1614                 return 16 << 0
1615         case userSize <= (128 - 32):
1616                 return 16 << 1
1617         case userSize <= (512 - 64):
1618                 return 16 << 2
1619         case userSize <= (4096 - 128):
1620                 return 16 << 3
1621         case userSize <= (1<<14)-256:
1622                 return 16 << 4
1623         case userSize <= (1<<15)-512:
1624                 return 16 << 5
1625         case userSize <= (1<<16)-1024:
1626                 return 16 << 6
1627         default:
1628                 return 16 << 7
1629         }
1630 }