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  • 关于Java堆内存是线程共享的吗?

    2020.03.13 14:54发布

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    首先,在JVM的内存结构中,比较常见的两个区域是堆内存和栈内存关于这两个概念的介绍一般如下:


    1、堆是线程共享的内存区域,栈是线程独享的内存区域。


    2、堆中主要存放对象实例,栈中主要存放各种基本数据类型、对象的引用。


    但是其实以上两个结论并不是完全正确的。


    在解释原因之前首先抛出个问题:Java对象的内存分配过程是如何保证线程安全的?


    Java对象的内存分配过程是如何保证线程安全的?


    Java是一门面向对象的语言,我们在Java要使用的对象都需要被创建出来,在Java中,创建一个对象的方法有很多种,但是无论如何,对象在创建过程中,都需要进行内存分配。


    对象的内存分配过程中,主要是对象的引用指向这个内存区域,然后进行初始化操作。


    但是,因为堆是全局共享的,因此在同一时间,可能有多个线程在对上申请空间,那么,在并发场景中,如果两个线程先后把对象引用指向了同一个内存区域,会发生什么呢?


    关于Java堆内存是线程共享的吗?


    为了解决这个并发问题,对象的内存分配过程就必须进行同步控制。但是我们知道,无论是使用哪种同步方案(实际上虚拟机使用的可能是CAS),都会影响内存的分配效率。


    而Java对象的分配是Java中等的高频操作,所以,人们想到另外一个办法来提升效率,这里着重说一个HotSpot虚拟机的方案:


    每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,然后再给对象分配内存的时候,直接在自己这块”私有”内存中分配,当这部分区域用完之后,再分配新的”私有”内存。


    这种方案被称之为TLAB分配,即Thread Local Allocation Buffer。这部分Buffer是从堆中划分出来的,但是是本地线程独享的。


    什么是TLAB?


    TLAB是虚拟机在堆内存的eden划分出来的一块专用空间,是线程专属的。在虚拟机的TLAB功能启动的情况下,在线程初始化时,虚拟机为每个线程分配拟一块TLAB空间,只给当前线程使用,这样每个线程都单独拥有一个空间,如果需要分配内存,就在自己的空间上分配,这样就不存在竞争的情况,可以大大提升分配效率。


    1、注意到上面的描述中"线程专属"、"只给当前线程使用"、"每个线程单独拥有"的描述了吗?


    所以说,因为有了TLAB技术,堆内存并不是完完全全的线程共享,其eden区域中还是有一部分空间是分配给线程独享的。


    这里值得注意的是,我们说TLAB是线程独享的,但是只是在**“分配”这个动作上是线程独占的**,至于在读取、垃圾回收等动作上都是线程共享的。而且在使用上也没有什么区别。


    关于Java堆内存是线程共享的吗?


    也就是说,虽然每个线程在初始化时都会去堆内存中申请一块TLAB,并不是说这个TLAB区域的内存其他线程就完全无法访问了,其他线程的读取还是可以的,只不过无法在这个区域中分配内存而已。


    并且,在TLAB分配之后,并不影响对象的移动和回收,也就是说,虽然对象刚开始可能通过TLAB分配内存,存放在Eden区,但是还是会被来及回收或者被移到Survivor Space ,Old Gen等。



    还有一点需要注意的是,我们说TLAB是在eden区分配的,因为eden区域本身就不太大,而且TLAB空间的内存也非常小,默认情况下仅占有整个Eden空间的1%。所以,必然存在一些大对象是无法在TLAB直接分配。


    遇到TLAB中无法分配的大对象,对象还是可能在eden区或者老年代等进行分配的,但是这种分配就需要进行同步控制,这也是为什么我们经常说:小的对象比大的对象分配起来更加高效。


    TLAB带来的问题


    虽然在一定程度上,TLAB大大的提升了对象的分配速度,但是TLAB并不是就没有任何问题的。


    前面我们说过,因为TLAB内存区域并不是很大,所以,有可能会经常出现不够的情况。


    比如一个线程的TLAB空间有100KB,其中已经使用了80KB,当需要再分配一个30KB的对象时,就无法直接在TLAB中分配,遇到这种情况时,有两种处理方案:


    1、如果一个对象需要的空间大小超过TLAB中剩余的空间大小,则直接在堆内存中对该对象进行内存分配。


    2、如果一个对象需要的空间大小超过TLAB中剩余的空间大小,则废弃当前TLAB,重新申请TLAB空间再次进行内存分配。


    以上两个方案各有利弊,如果采用方案1,那么就可能存在着一种极端情况,就是TLAB只剩下1KB,就会导致后续需要分配的大多数对象都需要在堆内存直接分配。


    如果采用方案2,也有可能存在频繁废弃TLAB,频繁申请TLAB的情况,而我们知道,虽然在TLAB上分配内存是线程独享的,但是TLAB内存自己从堆中划分出来的过程确实可能存在冲突的,所以,TLAB的分配过程其实也是需要并发控制的。而频繁的TLAB分配就失去了使用TLAB的意义。


    为了解决这两个方案存在的问题,虚拟机定义了一个refill_waste的值,这个值可以翻译为“最大浪费空间”。


    当请求分配的内存大于refill_waste的时候,会选择在堆内存中分配。若小于refill_waste值,则会废弃当前TLAB,重新创建TLAB进行对象内存分配。


    前面的例子中,TLAB总空间100KB,使用了80KB,剩余20KB,如果设置的refill_waste的值为25KB,那么如果新对象的内存大于25KB,则直接堆内存分配,如果小于25KB,则会废弃掉之前的那个TLAB,重新分配一个TLAB空间,给新对象分配内存。


    TLAB使用的相关参数


    TLAB功能是可以选择开启或者关闭的,可以通过设置-XX:+/-UseTLAB参数来指定是否开启TLAB分配。


    TLAB默认是eden区的1%,可以通过选项-XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小。


    默认情况下,TLAB的空间会在运行时不断调整,使系统达到最佳的运行状态。如果需要禁用自动调整TLAB的大小,可以使用-XX:-ResizeTLAB来禁用,并且使用-XX:TLABSize来手工指定TLAB的大小。


    TLAB的refill_waste也是可以调整的,默认值为64,即表示使用约为1/64空间大小作为refill_waste,使用参数:-XX:TLABRefillWasteFraction来调整。


    如果想要观察TLAB的使用情况,可以使用参数-XX+PringTLAB 进行跟踪。


    总结


    为了保证对象的内存分配过程中的线程安全性,HotSpot虚拟机提供了一种叫做TLAB(Thread Local Allocation Buffer)的技术


    在线程初始化时,虚拟机会为每个线程分配一块TLAB空间,只给当前线程使用,当需要分配内存时,就在自己的空间上分配,这样就不存在竞争的情况,可以大大提升分配效率。


    所以,“堆是线程共享的内存区域”这句话并不完全正确,因为TLAB是堆内存的一部分,他在读取上确实是线程共享的,但是在内存分分配上,是线程独享的。


    TLAB的空间其实并不大,所以大对象还是可能需要在堆内存中直接分配。那么,对象的内存分配步骤就是先尝试TLAB分配,空间不足之后,再判断是否应该直接进入老年代,然后再确定是再eden分配还是在老年代分配。



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