JVM如何處理多線程內存搶占問題

1、堆內存結構

2、運行時數據

3、內存分配機制

3.1、堆內存結構

3.2、內存分配方式

1、指針碰撞

2、空閑列表

4、jvm內存搶占方案

4.1、TLAB

4.2、CAS

4.3、鎖優化

4.4、逃逸分析與棧上分配

5、問題

5.1、內存分配競爭導致性能下降

5.2、偽共享（False Sharing）

1、對象內存結構

2、對象內存布局

3、問題表現

4、解決方案

5.3、內存泄漏（ThreadLocal 未清理）

前言：

????????在多線程環境下，JVM 需要高效、安全地管理內存分配，避免多個線程同時競爭內存資源導致的性能下降或數據不一致問題。

如下圖所示：

了解更多jvm的知識，可參考：關于對JVM的知識整理_談談你對jvm的理解-CSDN博客

1、堆內存結構

????????由年前代和老年代組成。年輕代分為eden和survivor1和survivor2區。

????????年輕代和老年代分別站別1/3和2/3。而eden區占比年輕代8/10，s1和s2分別占比1/10,1/10。

如下圖所示：

????????java堆里面存放的是數組和對象實例，字符串常量池、靜態變量和TLAB。

如下圖所示：

由上圖可知：可以看到TLAB存儲在堆中。

????????TLAB 本身是存儲在堆中，但它對每個線程都是獨立的。一個線程在創建對象時會使用其自己的 TLAB 來進行分配，而不是直接訪問共享的堆內存區域。

如下所示：

2、運行時數據

由下圖所示：運行數據區由堆和方法區（元空間）組成。

????????完整的執行過程由類加載系統、運行時數據區和執行引擎及本地方法庫和接口組成。

3、內存分配機制

JVM 的內存分配主要發生在?堆（Heap）?上，涉及以下幾個關鍵組件：

3.1、堆內存結構

新生代（Young Generation）：存放新創建的對象，分為?Eden區?和?Survivor區。
老年代（Old Generation）：存放長期存活的對象。
TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）：每個線程私有的內存分配緩沖區。

3.2、內存分配方式

1、指針碰撞

如下圖所示：

Bump-the-Pointer：適用于?連續內存空間（如 Serial、ParNew 等垃圾收集器）。

? ? ? ? ?通過原子操作移動指針分配內存。

2、空閑列表

如下圖所示：

Free List：適用于?不連續內存空間（如 CMS、G1 等垃圾收集器）。

????????維護一個空閑內存塊列表，分配時查找合適的內存塊。

4、jvm內存搶占方案

4.1、TLAB

全名（Thread-Local Allocation Buffer）。

1、作用：

????????每個線程在?Eden區?擁有一塊私有內存（TLAB），用于分配小對象（默認約 1% Eden 大小）。避免多線程競爭全局堆內存指針，提升分配效率。

2、特點：

TLAB 分配無需加鎖，因為每個線程操作自己的緩沖區。

當 TLAB 用盡時，線程會申請新的 TLAB（可能觸發鎖競爭）。

-XX:+UseTLAB  # 默認啟用
-XX:TLABSize=512k  # 調整 TLAB 大小

如下圖所示：

4.2、CAS

（Compare-And-Swap）原子操作

適用場景：

當 TLAB 不足或分配大對象時，線程需在?全局堆?分配內存。

JVM 使用?CAS（如?Atomic::cmpxchg）?確保指針更新的原子性。

// HotSpot 源碼中的內存分配邏輯（偽代碼）
if (使用 TLAB) {從 TLAB 分配內存;
} else {do {old_value = 當前堆指針;new_value = old_value + 對象大小;} while (!CAS(&堆指針, old_value, new_value)); // 原子更新指針返回 old_value;
}

4.3、鎖優化

如偏向鎖、自旋鎖

問題：

如果多個線程同時競爭全局堆內存，可能觸發鎖競爭。

解決方案：

JVM 使用?偏向鎖、自旋鎖?減少線程阻塞。

例如，G1 垃圾收集器在分配時采用?分區（Region）鎖，降低沖突概率。

4.4、逃逸分析與棧上分配

逃逸分析（Escape Analysis）：

????????JVM 分析對象是否可能被其他線程訪問（即是否“逃逸”）。如果對象未逃逸，可直接在?棧上分配，避免堆內存競爭。

如下圖所示：

啟用方式：

-XX:+DoEscapeAnalysis  # 默認啟用
-XX:+EliminateAllocations  # 開啟標量替換

5、問題

????????在上面介紹中，關于jvm如何可以解決內存搶占，下面解釋下內存搶占引發的典型問題及解決方案。

5.1、內存分配競爭導致性能下降

表現：

????????多線程頻繁分配對象時，new?操作變慢。

解決方案：

????????增大 TLAB（-XX:TLABSize）。使用對象池（如 Apache Commons Pool）。

5.2、偽共享（False Sharing）

1、對象內存結構

????????在 Java 中，對象的所有實例字段（如?x?和?y）默認會連續存儲在對象的內存布局中，減少內存碎片，一次性分配內存。

代碼示例：

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

對象頭（Header）：12 字節（64位 JVM，未壓縮指針時）。
字段?x：8 字節（緊接對象頭）。
字段?y：8 字節（緊接?x）。
對齊填充（Padding）：4 字節（見下文）。

2、對象內存布局

????????java對象的內存布局由對象頭（12個字節）、實例數據、對象填充（8個字節）組成。

如圖所示：

更多了解可參考：Java對象的內存布局及GC回收年齡的研究-CSDN博客

3、問題表現

????????需要從?對象內存布局?和?CPU緩存行?兩個角度分析。

x?和?y?的地址相差?8 字節（因為?long?類型占 8 字節）。
它們必然位于同一緩存行（緩存行通常 64 字節）。

代碼示例：

class FalseSharingExample {volatile long x; // 線程1修改volatile long y; // 線程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; // 高頻修改x}});Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {example.y = i; // 高頻修改y}});long start = System.currentTimeMillis();thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");}
}

????????多個線程修改同一緩存行（Cache Line）的不同變量，導致 CPU 緩存頻繁失效。

運行結果：

由于?x?和?y?在同一緩存行，兩個線程會互相使對方的緩存失效。
耗時可能高達?5000ms（實際結果依賴CPU架構）。

原因如下圖所示：

4、解決方案

1、手動解決

class ManualPaddingExample {volatile long x;// 填充56字節（64字節緩存行 - 8字節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?被隔離到不同的緩存行。
耗時可能降至?1000ms（性能提升5倍）。

2、使用?@Contended?自動解決（Java 8+）

@Contended?讓 JVM 自動完成填充，代碼更簡潔：

import sun.misc.Contended;class ContendedExample {@Contended  // 確保x獨占緩存行volatile long x;@Contended  // 確保y獨占緩存行volatile long y;public static void main(String[] args) { /* 同上 */ }
}

關鍵步驟：

添加JVM參數（允許使用@Contended）：

-XX:-RestrictContended

運行結果：

????????耗時與手動填充一致（約?1000ms），但代碼更干凈。

最終內存布局：

| 對象頭 (12字節) | x (8字節) | y (8字節) | 填充 (4字節) |
|----------------|----------|----------|-------------|

5.3、內存泄漏（ThreadLocal 未清理）

表現：
- 線程池中?ThreadLocal?未調用?remove()，導致內存無法釋放。
解決方案：
- 必須?remove()：

try {threadLocal.set(value);// 業務邏輯
} finally {threadLocal.remove(); // 清理
}

總結

TLAB?是 JVM 解決多線程內存競爭的核心機制，通過?線程私有緩沖區?減少鎖競爭。

CAS 操作?用于全局堆內存分配，保證原子性。

逃逸分析?和?棧上分配?可徹底避免堆內存競爭。

偽共享?和?ThreadLocal 泄漏?需額外注意，通過緩存行填充和及時清理避免。