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JVM如何处理多线程内存抢占问题

news 2025/5/19 6:11:31

1、堆内存结构

2、运行时数据

3、内存分配机制

3.1、堆内存结构

3.2、内存分配方式

1、指针碰撞

2、空闲列表

4、jvm内存抢占方案

4.1、TLAB

4.2、CAS

4.3、锁优化

4.4、逃逸分析与栈上分配

5、问题

5.1、内存分配竞争导致性能下降

5.2、伪共享（False Sharing）

1、对象内存结构

2、对象内存布局

3、问题表现

4、解决方案

5.3、内存泄漏（ThreadLocal 未清理）

前言：

在多线程环境下，JVM 需要高效、安全地管理内存分配，避免多个线程同时竞争内存资源导致的性能下降或数据不一致问题。

如下图所示：

了解更多jvm的知识，可参考：关于对JVM的知识整理_谈谈你对jvm的理解-CSDN博客

1、堆内存结构

由年前代和老年代组成。年轻代分为eden和survivor1和survivor2区。

年轻代和老年代分别站别1/3和2/3。而eden区占比年轻代8/10，s1和s2分别占比1/10,1/10。

如下图所示：

java堆里面存放的是数组和对象实例，字符串常量池、静态变量和TLAB。

如下图所示：

由上图可知：可以看到TLAB存储在堆中。

TLAB 本身是存储在堆中，但它对每个线程都是独立的。一个线程在创建对象时会使用其自己的 TLAB 来进行分配，而不是直接访问共享的堆内存区域。

如下所示：

2、运行时数据

由下图所示：运行数据区由堆和方法区（元空间）组成。

完整的执行过程由类加载系统、运行时数据区和执行引擎及本地方法库和接口组成。

3、内存分配机制

JVM 的内存分配主要发生在 堆（Heap） 上，涉及以下几个关键组件：

3.1、堆内存结构

新生代（Young Generation）：存放新创建的对象，分为 Eden区 和 Survivor区。
老年代（Old Generation）：存放长期存活的对象。
TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）：每个线程私有的内存分配缓冲区。

3.2、内存分配方式

1、指针碰撞

如下图所示：

Bump-the-Pointer：适用于 连续内存空间（如 Serial、ParNew 等垃圾收集器）。

通过原子操作移动指针分配内存。

2、空闲列表

如下图所示：

Free List：适用于 不连续内存空间（如 CMS、G1 等垃圾收集器）。

维护一个空闲内存块列表，分配时查找合适的内存块。

4、jvm内存抢占方案

4.1、TLAB

全名（Thread-Local Allocation Buffer）。

1、作用：

每个线程在 Eden区 拥有一块私有内存（TLAB），用于分配小对象（默认约 1% Eden 大小）。避免多线程竞争全局堆内存指针，提升分配效率。

2、特点：

TLAB 分配无需加锁，因为每个线程操作自己的缓冲区。

当 TLAB 用尽时，线程会申请新的 TLAB（可能触发锁竞争）。

-XX:+UseTLAB  # 默认启用
-XX:TLABSize=512k  # 调整 TLAB 大小

如下图所示：

4.2、CAS

（Compare-And-Swap）原子操作

适用场景：

当 TLAB 不足或分配大对象时，线程需在 全局堆 分配内存。

JVM 使用 CAS（如 Atomic::cmpxchg） 确保指针更新的原子性。

// HotSpot 源码中的内存分配逻辑（伪代码）
if (使用 TLAB) {从 TLAB 分配内存;
} else {do {old_value = 当前堆指针;new_value = old_value + 对象大小;} while (!CAS(&堆指针, old_value, new_value)); // 原子更新指针返回 old_value;
}

4.3、锁优化

如偏向锁、自旋锁

问题：

如果多个线程同时竞争全局堆内存，可能触发锁竞争。

解决方案：

JVM 使用 偏向锁、自旋锁 减少线程阻塞。

例如，G1 垃圾收集器在分配时采用 分区（Region）锁，降低冲突概率。

4.4、逃逸分析与栈上分配

逃逸分析（Escape Analysis）：

JVM 分析对象是否可能被其他线程访问（即是否“逃逸”）。如果对象未逃逸，可直接在 栈上分配，避免堆内存竞争。

如下图所示：

启用方式：

-XX:+DoEscapeAnalysis  # 默认启用
-XX:+EliminateAllocations  # 开启标量替换

5、问题

在上面介绍中，关于jvm如何可以解决内存抢占，下面解释下内存抢占引发的典型问题及解决方案。

5.1、内存分配竞争导致性能下降

表现：

多线程频繁分配对象时，new 操作变慢。

解决方案：

增大 TLAB（-XX:TLABSize）。使用对象池（如 Apache Commons Pool）。

5.2、伪共享（False Sharing）

1、对象内存结构

在 Java 中，对象的所有实例字段（如 x 和 y）默认会连续存储在对象的内存布局中，减少内存碎片，一次性分配内存。

代码示例：

class FalseSharingExample {volatile long x; // 8字节volatile long y; // 8字节
}

对象头（Header）：12 字节（64位 JVM，未压缩指针时）。
字段 x：8 字节（紧接对象头）。
字段 y：8 字节（紧接 x）。
对齐填充（Padding）：4 字节（见下文）。

2、对象内存布局

java对象的内存布局由对象头（12个字节）、实例数据、对象填充（8个字节）组成。

如图所示：

更多了解可参考：Java对象的内存布局及GC回收年龄的研究-CSDN博客

3、问题表现

需要从 对象内存布局 和 CPU缓存行 两个角度分析。

x 和 y 的地址相差 8 字节（因为 long 类型占 8 字节）。
它们必然位于同一缓存行（缓存行通常 64 字节）。

代码示例：

class FalseSharingExample {volatile long x; // 线程1修改volatile long y; // 线程2修改public static void main(String[] args) {FalseSharingExample example = new FalseSharingExample();Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {example.x = i; // 高频修改x}});Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {example.y = i; // 高频修改y}});long start = System.currentTimeMillis();thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println("耗时: " + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");}
}

多个线程修改同一缓存行（Cache Line）的不同变量，导致 CPU 缓存频繁失效。

运行结果：

由于 x 和 y 在同一缓存行，两个线程会互相使对方的缓存失效。
耗时可能高达 5000ms（实际结果依赖CPU架构）。

原因如下图所示：

4、解决方案

1、手动解决

class ManualPaddingExample {volatile long x;// 填充56字节（64字节缓存行 - 8字节long）private long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; volatile long y;public static void main(String[] args) { /* 同上 */ }
}

效果：

x 和 y 被隔离到不同的缓存行。
耗时可能降至 1000ms（性能提升5倍）。

2、使用 @Contended 自动解决（Java 8+）

@Contended 让 JVM 自动完成填充，代码更简洁：

import sun.misc.Contended;class ContendedExample {@Contended  // 确保x独占缓存行volatile long x;@Contended  // 确保y独占缓存行volatile long y;public static void main(String[] args) { /* 同上 */ }
}

关键步骤：

添加JVM参数（允许使用@Contended）：

-XX:-RestrictContended

运行结果：

耗时与手动填充一致（约 1000ms），但代码更干净。

最终内存布局：

| 对象头 (12字节) | x (8字节) | y (8字节) | 填充 (4字节) |
|----------------|----------|----------|-------------|

5.3、内存泄漏（ThreadLocal 未清理）

表现：
- 线程池中 ThreadLocal 未调用 remove()，导致内存无法释放。
解决方案：
- 必须 remove()：

try {threadLocal.set(value);// 业务逻辑
} finally {threadLocal.remove(); // 清理
}

总结

TLAB 是 JVM 解决多线程内存竞争的核心机制，通过 线程私有缓冲区 减少锁竞争。

CAS 操作 用于全局堆内存分配，保证原子性。

逃逸分析 和 栈上分配 可彻底避免堆内存竞争。

伪共享 和 ThreadLocal 泄漏 需额外注意，通过缓存行填充和及时清理避免。