小师妹学JVM之:逃逸分析和TLAB

Posted 2020-12-13 flydean

目录

• 简介
• 逃逸分析和栈上分配
• TLAB简介
• TLAB详解
  • 设置TLAB空间的大小
  • TLAB中大对象的分配
  • TLAB空间中的浪费
• 总结

简介

逃逸分析我们在JDK14中JVM的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;
  }
}

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，锁也是不需要的，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？

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

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：

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

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

来设置。

默认情况下：

-XX:ResizeTLAB

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

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

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。

总结

本文介绍了逃逸分析和TLAB的使用。希望大家能够喜欢。

本文作者：flydean程序那些事

本文链接：http://www.flydean.com/jvm-escapse-tlab/

本文来源：flydean的博客

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