靈魂拷問：Java對象的內(nèi)存分配過程是如何保證線程安全的？
JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)，是很重要的知識，相信每一個靜心準(zhǔn)備過面試的程序員都可以清楚的把堆、棧、方法區(qū)等介紹的比較清楚。
上圖，是一張在作者根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范(Java SE 8)》中描述的JVM運(yùn)行時內(nèi)存區(qū)域結(jié)構(gòu)畫的。
很多人都知道Java對象是在堆內(nèi)存中分配空間的(JIT優(yōu)化除外)，也知道內(nèi)存分配過程中是線程安全的，那么虛擬機(jī)到底是如何保證線程安全的呢?本文就來簡單介紹一下。
1.Java對象的內(nèi)存分配
我們知道，Java是一門面向?qū)ο蟮恼Z言，我們在Java中使用的對象都需要被創(chuàng)建出來，在Java中，創(chuàng)建一個對象的方法有很多種，如使用new、使用反射、使用Clone方法等，但是無論如何，對象在創(chuàng)建過程中，都需要進(jìn)行內(nèi)存分配。
拿最常見的new關(guān)鍵字舉例，當(dāng)我們使用new創(chuàng)建對象后代碼開始運(yùn)行后，虛擬機(jī)執(zhí)行到這條new指令的時候，會先檢查要new的對象對應(yīng)的類是否已被加載，如果沒有被加載則先進(jìn)行類加載。
在類加載檢查通過之后，就需要給對象進(jìn)行內(nèi)存分配了，分配的內(nèi)存主要用來存放對象的實例變量。
在進(jìn)行內(nèi)存分配時，需要根據(jù)對象中的實例變量情況等信息確定需要分配的空間大小，然后從Java堆中劃分出這樣一塊區(qū)域(假設(shè)沒有JIT優(yōu)化)。
根據(jù)JVM使用的垃圾回收器的類型，因其回收算法不同，會導(dǎo)致堆中內(nèi)存分配情況不同。如標(biāo)記-清楚算法回收后的內(nèi)存中會有大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，在給新的對象分配的時候，就需要通過"空閑列表"來確定一塊空閑區(qū)域。(這部分不是本文重點(diǎn)，讀者可以自行學(xué)習(xí)一下。)
無論那種方式，最終都需要確定出一塊內(nèi)存區(qū)域，用于給新建對象分配內(nèi)存。我們知道，對象的內(nèi)存分配過程中，主要是對象的引用指向這個內(nèi)存區(qū)域，然后進(jìn)行初始化操作。
那么問題就來了：
在并發(fā)場景中，如何內(nèi)存分配過程的線程安全性?如果兩個線程先后把對象引用指向了同一個內(nèi)存區(qū)域，怎么辦。
2.TLAB
一般有兩種解決方案：
- 1、對分配內(nèi)存空間的動作做同步處理，采用CAS機(jī)制，配合失敗重試的方式保證更新操作的線程安全性。
- 2、每個線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，然后再給對象分配內(nèi)存的時候，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。
方案1在每次分配時都需要進(jìn)行同步控制，這種是比較低效的。
方案2是HotSpot虛擬機(jī)中采用的，這種方案被稱之為TLAB分配，即Thread Local Allocation Buffer。這部分Buffer是從堆中劃分出來的，但是是本地線程獨(dú)享的。
這里值得注意的是，我們說TLAB時線程獨(dú)享的，但是只是在“分配”這個動作上是線程獨(dú)占的，至于在讀取、垃圾回收等動作上都是線程共享的。而且在使用上也沒有什么區(qū)別。
另外，TLAB僅作用于新生代的Eden Space，對象被創(chuàng)建的時候首先放到這個區(qū)域，但是新生代分配不了內(nèi)存的大對象會直接進(jìn)入老年代。因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。
所以，雖然對象剛開始可能通過TLAB分配內(nèi)存，存放在Eden區(qū)，但是還是會被垃圾回收或者被移到Survivor Space、Old Gen等。
不知道大家有沒有想過，我們使用了TLAB之后，在TLAB上給對象分配內(nèi)存時線程獨(dú)享的了，這就沒有沖突了，但是，TLAB這塊內(nèi)存自身從堆中劃分出來的過程也可能存在內(nèi)存安全問題啊。
所以，在對于TLAB的分配過程，還是需要進(jìn)行同步控制的。但是這種開銷相比于每次為單個對象劃分內(nèi)存時候?qū)M(jìn)行同步控制的要低的多。
虛擬機(jī)是否使用TLAB是可以選擇的，可以通過設(shè)置-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來指定。
3.總結(jié)
為了保證Java對象的內(nèi)存分配的安全性，同時提升效率，每個線程在Java堆中可以預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，這部分內(nèi)存稱之為TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，這塊內(nèi)存的分配時線程獨(dú)占的，讀取、使用、回收是線程共享的。
可以通過設(shè)置-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來指定是否開啟TLAB分配。
【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】
