内存管理和分配，cpu调度，无锁队列等技术介绍-Go服务器开发

以下是关于内存管理、CPU调度、无锁队列等核心技术的详细介绍，涵盖原理、应用场景及优化方向：

1. 内存管理与分配

1.1 内存管理机制

虚拟内存
- 通过MMU（内存管理单元）将虚拟地址映射到物理地址，实现进程隔离和内存保护。
- 分页（Page）：固定大小（如4KB），通过页表管理；分段（Segment）：按逻辑单元划分（如代码段、数据段）。
TLB（快表）：缓存常用页表项，加速地址转换。

1.2 动态内存分配

堆分配器
- glibc malloc/free：基于ptmalloc2，使用brk/mmap系统调用，支持多线程但存在锁竞争。
- tcmalloc (Google)：线程本地缓存减少锁争用，适合高并发场景。
- jemalloc (Facebook)：减少碎片化，提升多核性能。
常见问题与优化
- 内存碎片：外部碎片（空闲块不连续）、内部碎片（分配块未完全利用）。
- 解决方案：Slab分配器（内核对象池）、对象复用池（如C++的std::pmr）。

2. CPU调度

2.1 调度算法

Linux CFS (Completely Fair Scheduler)
- 基于红黑树选择最小虚拟运行时间（vruntime）的任务，保证公平性。权重值（nice值）调整优先级。
实时调度策略
- SCHED_FIFO：先进先出，无时间片抢占；SCHED_RR：轮转调度，带时间片。

2.2 CPU亲和性与绑核

taskset或sched_setaffinity()将进程绑定到特定核心，减少缓存失效和上下文切换开销。

2.3 NUMA架构优化

NUMA节点内访问本地内存更快，可通过numactl工具或API显式控制内存分配策略。

3. 无锁队列 (Lock-Free Queue)

3.1 CAS (Compare-And-Swap)

// C++11原子操作示例
std::atomic<int> val;
val.compare_exchange_strong(expected, new_val);

CAS是实现无锁结构的核心指令，但可能因“ABA问题”需配合版本号或标签使用。

3.2 RingBuffer (环形缓冲区)

SPSC（单生产者单消费者）场景下无需加锁：

//伪代码
void enqueue(T item) {
    while ((tail + 1) % size == head); //等待空间
    buffer[tail] = item;
    tail = (tail + 1) % size;
}

3.3 Michael-Scott队列

MPMC（多生产者多消费者）无锁队列：

struct Node { T data; std::atomic<Node*> next; };
std::atomic<Node*> head, tail;
void enqueue(T item) {
    Node* newNode = new Node(item);
    Node* oldTail = tail.exchange(newNode);
    oldTail->next.store(newNode);
}

3.4 Hazard Pointer

安全回收无锁数据结构中的内存，避免访问已释放节点。

4. Linux内核相关技术扩展

技术	说明
RCU (Read-Copy-Update)	读写共享数据时读操作无锁，写操作延迟回收旧数据
cgroup v2	限制进程组资源使用量(CPU/Memory/IO)
eBPF	动态注入内核代码实现性能分析/网络过滤