小师妹学JVM之:逃逸分析和TLAB

逃逸分析我们在JDK14中JVM性能优化一文中已经讲过了,逃逸分析的结果就是JVM会在栈上分配对象,从而提升效率。如果我们在多线程的环境中,如何提升内存的分配效率呢?快来跟小师妹一起学习TLAB技术吧。

逃逸分析和栈上分配

小师妹:F师兄,从前大家都说对象是在堆中分配的,然后我就信了。上次你居然说可以在栈上分配对象,这个实在是颠覆了我一贯的认知啊。

柏拉图说过:思想永远是宇宙的统治者。只要思想不滑坡,办法总比困难多。别人告诉你的都是一些最基本,最最通用的情况。而师兄我告诉你的则是在优化中的特列情况。

小师妹:F师兄,看起来JVM在提升运行速度方面真的做了不少优化呀。

是呀,Java从最开始被诟病速度慢,到现在执行速度直追C语言。这些运行时优化是必不可少的。还记得我们之前讲的逃逸分析是怎么回事吗?

小师妹:F师兄,这个我知道,如果一个对象的分配是在方法内部,并且没有多线程访问的情况下,那么这个对象其实可以看做是一个本地对象,这样的对象不管创建在哪里都只对本线程中的本方法可见,因此可以直接分配在栈空间中。

对的,栈上分配的对象因为不用考虑同步,所以执行速度肯定会更加快速,这也是为什么JVM会引入栈上分配的原因。

再举一个形象直观的例子。工厂要组装一辆汽车,在buildCar的过程中,需要先创建一个Car对象,然后给它按上轮子。

public static void main(String[] args) {
    buildCar();
  }
  public static void buildCar() {
    Wheel whell = new Wheel(); //分配轮子
    Car car = new Car(); //分配车子
    car.setWheel(whell);
  }
}

class Wheel {}

class Car {
  private Wheel whell;
  public void setWheel(Wheel whell) {
    this.whell = whell;
  }
}
复制代码

考虑一下上面的情况,如果假设该车间是一个机器人组装一台车,那么上面方法中创建的Car和Wheel对象,其实只会被这一个机器人访问,其他的机器人根本就不会用到这个车的对象。那么这个对象本质上是对其他机器人隐形的。所以我们可以不在公共空间分配这个对象,而是在私人的栈空间中分配。

逃逸分析还有一个作用就是lock coarsening。同样的,单线程环境中,也是不需要的,也可以优化掉。

TLAB简介

小师妹:F师兄,我觉得逃逸分析很好呀,栈上分配也不错。既然又这么厉害的两项技术了,为什么还要用到TLAB呢?

首先这是两个不同的概念,TLAB的全称是Thread-Local Allocation Buffers。Thread-Local大家都知道吧,就是线程的本地变量。而TLAB则是线程的本地分配空间。

逃逸分析和栈上分配只是争对于单线程环境来说的,如果在多线程环境中,不可避免的会有多个线程同时在堆空间中分配对象的情况。

这种情况下如何处理才能提升性能呢?

小师妹:哇,多个线程竞争共享资源,这不是一个典型的锁和同步的问题吗?

锁和同步是为了保证整个资源一次只能被一个线程访问,我们现在的情况是要在资源中为线程划分一定的区域。这种操作并不需要完全的同步,因为heap空间够大,我们可以在这个空间中划分出一块一块的小区域,为每个线程都分一块。这样不就解决了同步的问题了吗?这也可以称作空间换时间

TLAB详解

小师妹,还记得heap分代技术中的一个中心两个基本点吗?哦,1个Eden Space和2个Suvivor Space吗?

小师妹学JVM之:逃逸分析和TLAB

Young Gen被划分为1个Eden Space和2个Suvivor Space。当对象刚刚被创建的时候,是放在Eden space。垃圾回收的时候,会扫描Eden Space和一个Suvivor Space。如果在垃圾回收的时候发现Eden Space中的对象仍然有效,则会将其复制到另外一个Suvivor Space。

就这样不断的扫描,最后经过多次扫描发现任然有效的对象会被放入Old Gen表示其生命周期比较长,可以减少垃圾回收时间。

因为TLAB关注的是新分配的对象,所以TLAB是被分配在Eden区间的,从图上可以看到TLAB是一个一个的连续空间。

然后将这些连续的空间分配个各个线程使用。

因为每一个线程都有自己的独立空间,所以这里不涉及到同步的概念。默认情况下TLAB是开启的,你可以通过:

-XX:-UseTLAB
复制代码

来关闭它。

设置TLAB空间的大小

小师妹,F师兄,这个TLAB的大小是系统默认的吗?我们可以手动控制它的大小吗?

要解决这个问题,我们还得去看JVM的C++实现,也就是threadLocalAllocBuffer.cpp:

小师妹学JVM之:逃逸分析和TLAB

上面的代码可以看到,如果设置了TLAB(默认是0),那么TLAB的大小是定义的TLABSize除以HeapWordSize和max_size()中最小的那个。

HeapWordSize是heap中一个字的大小,我猜它=8。别问我为什么,其实我也是猜的,有人知道答案的话可以留言告诉我。

TLAB的大小可以通过:

-XX:TLABSize
复制代码

来设置。

如果没有设置TLAB,那么TLAB的大小就是分配线程的平均值。

TLAB的最小值可以通过:

-XX:MinTLABSize
复制代码

来设置。

默认情况下:

-XX:ResizeTLAB
复制代码

resize开关是默认开启的,那么JVM可以对TLAB空间大小进行调整。

TLAB中大对象的分配

小师妹:F师兄,我想到了一个问题,既然TLAB是有大小的,如果一个线程中定义了一个非常大的对象,TLAB放不下了,该怎么办呢?

好问题,这种情况下又有两种可能性,我们假设现在的TLAB的大小是100K:

第一种可能性:

目前TLAB被使用了20K,还剩80K的大小,这时候我们创建了一个90K大小的对象,现在90K大小的对象放不进去TLAB,这时候需要直接在heap空间去分配这个对象,这种操作实际上是一种退化操作,官方叫做 slow allocation。

第二中个可能性:

目前TLAB被使用了90K,还剩10K大小,这时候我们创建了一个15K大小的对象。

这个时候就要考虑一下是否仍然进行slow allocation操作。

因为TLAB差不多已经用完了,为了保证后面new出来的对象仍然可以有一个TLAB可用,这时候JVM可以尝试将现在的TLAB Retire掉,然后分配一个新的TLAB空间,把15K的对象放进去。

JVM有个开关,叫做:

-XX:TLABWasteTargetPercent=N
复制代码

这个开关的默认值是1。表示如果新分配的对象大小如果超出了设置的这个百分百,那么就会执行slow allocation。否则就会分配一个新的TLAB空间。

同时JVM还定义了一个开关:

-XX:TLABWasteIncrement=N
复制代码

为了防止过多的slow allocation,JVM定义了这个开关(默认值是4),比如说第一次slow allocation的极限值是1%,那么下一次slow allocation的极限值就是%1+4%=5%。

TLAB空间中的浪费

小师妹:F师兄,如果新分配的TLAB空间,那么老的TLAB中没有使用的空间该怎么办呢?

这个叫做TLAB Waste。因为不会再在老的TLAB空间中分配对象了,所以剩余的空间就浪费了。

原文 

https://juejin.im/post/5efbdfd2f265da22ff543e77

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