Java對(duì)象的內(nèi)存分配過(guò)程是如何保證線(xiàn)程安全的？

Java作為一種面向?qū)ο蟮?，跨平臺(tái)語(yǔ)言，其對(duì)象、內(nèi)存等一直是比較難的知識(shí)點(diǎn)，所以，即使是一個(gè)Java的初學(xué)者，也一定或多或少的對(duì)JVM有一些了解?？梢哉f(shuō)，關(guān)于JVM的相關(guān)知識(shí)，基本是每個(gè)Java開(kāi)發(fā)者必學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，也是面試的時(shí)候必考的知識(shí)點(diǎn)。

在JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，比較常見(jiàn)的兩個(gè)區(qū)域就是堆內(nèi)存和棧內(nèi)存（如無(wú)特指，本文提到的棧均指的是虛擬機(jī)棧），關(guān)于堆和棧的區(qū)別，很多開(kāi)發(fā)者也是如數(shù)家珍，有很多書(shū)籍，或者網(wǎng)上的文章大概都是這樣介紹的：

1、堆是線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，棧是線(xiàn)程獨(dú)享的內(nèi)存區(qū)域。

2、堆中主要存放對(duì)象實(shí)例，棧中主要存放各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型、對(duì)象的引用。

但是，作者可以很負(fù)責(zé)任的告訴大家，以上兩個(gè)結(jié)論均不是完全正確的。

本文首先帶大家了解一下為什么我會(huì)說(shuō)“堆是線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，棧是線(xiàn)程獨(dú)享的內(nèi)存區(qū)域?！边@句話(huà)并不完全正確！？關(guān)于JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，大家可以閱讀JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu) VS Java內(nèi)存模型 VS Java對(duì)象模型、萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)的面試題可以問(wèn)的這么難？等文章。

我們知道，Java是一門(mén)面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，我們?cè)贘ava中使用的對(duì)象都需要被創(chuàng)建出來(lái)，在Java中，創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的方法有很多種，但是無(wú)論如何，對(duì)象在創(chuàng)建過(guò)程中，都需要進(jìn)行內(nèi)存分配。

對(duì)象的內(nèi)存分配過(guò)程中，主要是對(duì)象的引用指向這個(gè)內(nèi)存區(qū)域，然后進(jìn)行初始化操作。

但是，因?yàn)槎咽侨止蚕淼?，因此在同一時(shí)間，可能有多個(gè)線(xiàn)程在堆上申請(qǐng)空間，那么，在并發(fā)場(chǎng)景中，如果兩個(gè)線(xiàn)程先后把對(duì)象引用指向了同一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，怎么辦。

為了解決這個(gè)并發(fā)問(wèn)題，對(duì)象的內(nèi)存分配過(guò)程就必須進(jìn)行同步控制。但是我們都知道，無(wú)論是使用哪種同步方案（實(shí)際上虛擬機(jī)使用的可能是CAS），都會(huì)影響內(nèi)存的分配效率。

而Java對(duì)象的分配是Java中的高頻操作，所有，人們想到另外一個(gè)辦法來(lái)提升效率。這里我們重點(diǎn)說(shuō)一個(gè)HotSpot虛擬機(jī)的方案：

每個(gè)線(xiàn)程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，然后再給對(duì)象分配內(nèi)存的時(shí)候，直接在自己這塊”私有”內(nèi)存中分配，當(dāng)這部分區(qū)域用完之后，再分配新的”私有”內(nèi)存。

這種方案被稱(chēng)之為T(mén)LAB分配，即Thread Local Allocation Buffer。這部分Buffer是從堆中劃分出來(lái)的，但是是本地線(xiàn)程獨(dú)享的。

什么是TLAB

TLAB是虛擬機(jī)在堆內(nèi)存的eden劃分出來(lái)的一塊專(zhuān)用空間，是線(xiàn)程專(zhuān)屬的。在虛擬機(jī)的TLAB功能啟動(dòng)的情況下，在線(xiàn)程初始化時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)線(xiàn)程分配一塊TLAB空間，只給當(dāng)前線(xiàn)程使用，這樣每個(gè)線(xiàn)程都單獨(dú)擁有一個(gè)空間，如果需要分配內(nèi)存，就在自己的空間上分配，這樣就不存在競(jìng)爭(zhēng)的情況，可以大大提升分配效率。

注意到上面的描述中"線(xiàn)程專(zhuān)屬"、"只給當(dāng)前線(xiàn)程使用"、"每個(gè)線(xiàn)程單獨(dú)擁有"的描述了嗎？

所以說(shuō)，因?yàn)橛辛薚LAB技術(shù)，堆內(nèi)存并不是完完全全的線(xiàn)程共享，其eden區(qū)域中還是有一部分空間是分配給線(xiàn)程獨(dú)享的。

這里值得注意的是，我們說(shuō)TLAB是線(xiàn)程獨(dú)享的，但是只是在“分配”這個(gè)動(dòng)作上是線(xiàn)程獨(dú)享的，至于在讀取、垃圾回收等動(dòng)作上都是線(xiàn)程共享的。而且在使用上也沒(méi)有什么區(qū)別。

也就是說(shuō)，雖然每個(gè)線(xiàn)程在初始化時(shí)都會(huì)去堆內(nèi)存中申請(qǐng)一塊TLAB，并不是說(shuō)這個(gè)TLAB區(qū)域的內(nèi)存其他線(xiàn)程就完全無(wú)法訪問(wèn)了，其他線(xiàn)程的讀取還是可以的，只不過(guò)無(wú)法在這個(gè)區(qū)域中分配內(nèi)存而已。

并且，在TLAB分配之后，并不影響對(duì)象的移動(dòng)和回收，也就是說(shuō)，雖然對(duì)象剛開(kāi)始可能通過(guò)TLAB分配內(nèi)存，存放在Eden區(qū)，但是還是會(huì)被垃圾回收或者被移到Survivor Space、Old Gen等。

還有一點(diǎn)需要注意的是，我們說(shuō)TLAB是在eden區(qū)分配的，因?yàn)閑den區(qū)域本身就不太大，而且TLAB空間的內(nèi)存也非常小，默認(rèn)情況下僅占有整個(gè)Eden空間的1%。所以，必然存在一些大對(duì)象是無(wú)法在TLAB直接分配。

遇到TLAB中無(wú)法分配的大對(duì)象，對(duì)象還是可能在eden區(qū)或者老年代等進(jìn)行分配的，但是這種分配就需要進(jìn)行同步控制，這也是為什么我們經(jīng)常說(shuō)：小的對(duì)象比大的對(duì)象分配起來(lái)更加高效。

TLAB帶來(lái)的問(wèn)題

雖然在一定程度上，TLAB大大的提升了對(duì)象的分配速度，但是TLAB并不是就沒(méi)有任何問(wèn)題的。

前面我們說(shuō)過(guò)，因?yàn)門(mén)LAB內(nèi)存區(qū)域并不是很大，所以，有可能會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)不夠的情況。在《實(shí)戰(zhàn)Java虛擬機(jī)》中有這樣一個(gè)例子：

比如一個(gè)線(xiàn)程的TLAB空間有100KB，其中已經(jīng)使用了80KB，當(dāng)需要再分配一個(gè)30KB的對(duì)象時(shí)，就無(wú)法直接在TLAB中分配，遇到這種情況時(shí)，有兩種處理方案：

1、如果一個(gè)對(duì)象需要的空間大小超過(guò)TLAB中剩余的空間大小，則直接在堆內(nèi)存中對(duì)該對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存分配。

2、如果一個(gè)對(duì)象需要的空間大小超過(guò)TLAB中剩余的空間大小，則廢棄當(dāng)前TLAB，重新申請(qǐng)TLAB空間再次進(jìn)行內(nèi)存分配。

以上兩個(gè)方案各有利弊，如果采用方案1，那么就可能存在著一種極端情況，就是TLAB只剩下1KB，就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)需要分配的大多數(shù)對(duì)象都需要在堆內(nèi)存直接分配。

如果采用方案2，也有可能存在頻繁廢棄TLAB，頻繁申請(qǐng)TLAB的情況，而我們知道，雖然在TLAB上分配內(nèi)存是線(xiàn)程獨(dú)享的，但是TLAB內(nèi)存自己從堆中劃分出來(lái)的過(guò)程確實(shí)可能存在沖突的，所以，TLAB的分配過(guò)程其實(shí)也是需要并發(fā)控制的。而頻繁的TLAB分配就失去了使用TLAB的意義。

為了解決這兩個(gè)方案存在的問(wèn)題，虛擬機(jī)定義了一個(gè)refill_waste的值，這個(gè)值可以翻譯為“最大浪費(fèi)空間”。

當(dāng)請(qǐng)求分配的內(nèi)存大于refill_waste的時(shí)候，會(huì)選擇在堆內(nèi)存中分配。若小于refill_waste值，則會(huì)廢棄當(dāng)前TLAB，重新創(chuàng)建TLAB進(jìn)行對(duì)象內(nèi)存分配。

前面的例子中，TLAB總空間100KB，使用了80KB，剩余20KB，如果設(shè)置的refill_waste的值為25KB，那么如果新對(duì)象的內(nèi)存大于25KB，則直接堆內(nèi)存分配，如果小于25KB，則會(huì)廢棄掉之前的那個(gè)TLAB，重新分配一個(gè)TLAB空間，給新對(duì)象分配內(nèi)存。

TLAB使用的相關(guān)參數(shù)

TLAB功能是可以選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉的，可以通過(guò)設(shè)置-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來(lái)指定是否開(kāi)啟TLAB分配。

TLAB默認(rèn)是eden區(qū)的1%，可以通過(guò)選項(xiàng)-XX:TLABWasteTargetPercent設(shè)置TLAB空間所占用Eden空間的百分比大小。

默認(rèn)情況下，TLAB的空間會(huì)在運(yùn)行時(shí)不斷調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。如果需要禁用自動(dòng)調(diào)整TLAB的大小，可以使用-XX:-ResizeTLAB來(lái)禁用，并且使用-XX：TLABSize來(lái)手工指定TLAB的大小。

TLAB的refill_waste也是可以調(diào)整的，默認(rèn)值為64，即表示使用約為1/64空間大小作為refill_waste，使用參數(shù)：-XX：TLABRefillWasteFraction來(lái)調(diào)整。

如果想要觀察TLAB的使用情況，可以使用參數(shù)-XX+PringTLAB 進(jìn)行跟蹤。

總結(jié)

為了保證對(duì)象的內(nèi)存分配過(guò)程中的線(xiàn)程安全性，HotSpot虛擬機(jī)提供了一種叫做TLAB(Thread Local Allocation Buffer)的技術(shù)。

在線(xiàn)程初始化時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)線(xiàn)程分配一塊TLAB空間，只給當(dāng)前線(xiàn)程使用，當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，就在自己的空間上分配，這樣就不存在競(jìng)爭(zhēng)的情況，可以大大提升分配效率。

所以，“堆是線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域”這句話(huà)并不完全正確，因?yàn)門(mén)LAB是堆內(nèi)存的一部分，他在讀取上確實(shí)是線(xiàn)程共享的，但是在內(nèi)存分配上，是線(xiàn)程獨(dú)享的。

TLAB的空間其實(shí)并不大，所以大對(duì)象還是可能需要在堆內(nèi)存中直接分配。那么，對(duì)象的內(nèi)存分配步驟就是先嘗試TLAB分配，空間不足之后，再判斷是否應(yīng)該直接進(jìn)入老年代，然后再確定是再eden分配還是在老年代分配。

TLAB只是HotSpot虛擬機(jī)的一個(gè)優(yōu)化方案，Java虛擬機(jī)規(guī)范中也沒(méi)有關(guān)于TLAB的任何規(guī)定。所以，不代表所有的虛擬機(jī)都有這個(gè)特性。

本文的概述都是基于HotSpot虛擬機(jī)的，因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)是目前最流行的虛擬機(jī)了，大多數(shù)默認(rèn)情況下，我們討論的時(shí)候也都是基于HotSpot的。