通过 JFR 与日志深入探索 JVM - TLAB 原理详解

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什么是 TLAB?

TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓存区,这是一个线程专用的内存分配区域。既然是一个内存分配区域,我们就先要搞清楚 Java 内存大概是如何分配的。

我们一般认为 Java 中 new 的对象都是在堆上分配,这个说法不够准确,应该是大部分对象在堆上的 TLAB分配,还有一部分在 栈上分配 或者是 堆上直接分配,可能 Eden 区也可能年老代。同时,对于一些的 GC 算法,还可能直接在老年代上面分配,例如 G1 GC 中的 humongous allocations(大对象分配),就是对象在超过 Region 一半大小的时候,直接在老年代的连续空间分配。

这里,我们先只关心 TLAB 分配。 对于单线程应用,每次分配内存,会记录上次分配对象内存地址末尾的指针,之后分配对象会从这个指针开始检索分配。这个机制叫做 bump-the-pointer (撞针)。 对于多线程应用来说,内存分配需要考虑线程安全。最直接的想法就是通过全局锁,但是这个性能会很差。为了优化这个性能,我们考虑可以每个线程分配一个线程本地私有的内存池,然后采用 bump-the-pointer 机制进行内存分配。这个线程本地私有的内存池,就是 TLAB。只有 TLAB 满了,再去申请内存的时候,需要扩充 TLAB 或者使用新的 TLAB,这时候才需要锁。这样大大减少了锁使用。

TLAB 相关 JVM 参数详解

我们先来浏览下 TLAB 相关的 JVM 参数以及其含义,在下一小节会深入源码分析原理以及设计这个参数是为何。

以下参数与默认值均来自于 OpenJDK 11

1. UseTLAB

说明:是否启用 TLAB,默认是启用的。

默认:true

举例:如果想关闭:-XX:-UseTLAB

2. ResizeTLAB

说明:TLAB 是否是自适应可变的,默认为是。

默认:true

举例:如果想关闭:-XX:-ResizeTLAB

3. TLABSize

说明:初始 TLAB 大小。单位是字节

默认:0, 0 就是不主动设置 TLAB 初始大小,而是通过 JVM 自己计算每一个线程的初始大小

举例-XX:TLABSize=65536

4. MinTLABSize

说明:最小 TLAB 大小。单位是字节

默认:2048

举例-XX:TLABSize=4096

5. TLABWasteTargetPercent

说明:TLAB 的大小计算涉及到了 Eden 区的大小以及可以浪费的比率。TLAB 浪费占用 Eden 的百分比,这个参数的作用会在接下来的原理说明内详细说明

默认:1

举例-XX:TLABWasteTargetPercent=10

6. TLABAllocationWeight

说明: TLAB 大小计算和线程数量有关,但是线程是动态创建销毁的。所以需要基于历史线程个数推测接下来的线程个数来计算 TLAB 大小。一般 JVM 内像这种预测函数都采用了 EMA (Exponential Moving Average 指数平均数)算法进行预测,会在接下来的原理说明内详细说明。这个参数代表权重,权重越高,最近的数据占比影响越大。

默认:35

举例-XX:TLABAllocationWeight=70

7. TLABRefillWasteFraction

说明: 在一次 TLAB 再填充(refill)发生的时候,最大的 TLAB 浪费。至于什么是再填充(refill),什么是 TLAB 浪费,会在接下来的原理说明内详细说明

默认:64

举例-XX:TLABRefillWasteFraction=32

8. TLABWasteIncrement

说明: TLAB 缓慢分配时允许的 TLAB 浪费增量,什么是 TLAB 浪费,什么是 TLAB 缓慢分配,会在接下来的原理说明内详细说明。单位不是字节,而是MarkWord个数,也就是 Java 堆的内存最小单元

默认:4

举例-XX:TLABWasteIncrement=4

9. ZeroTLAB

说明: 是否将新创建的 TLAB 内的对象所有字段归零

默认:false

举例-XX:+ZeroTLAB

TLAB 生命周期与原理详解

TLAB 是从堆上 Eden 区的分配的一块线程本地私有内存。线程初始化的时候,如果 JVM 启用了 TLAB(默认是启用的, 可以通过 -XX:-UseTLAB 关闭),则会创建并初始化 TLAB。同时,在 GC 扫描对象发生之后,线程第一次尝试分配对象的时候,也会创建并初始化 TLAB 。在 TLAB 已经满了或者接近于满了的时候,TLAB 可能会被释放回 Eden。GC 扫描对象发生时,TLAB 会被释放回 Eden。TLAB 的生命周期期望只存在于一个 GC 扫描周期内。在 JVM 中,一个 GC 扫描周期,就是一个epoch。那么,可以知道,TLAB 内分配内存一定是线性分配的。

TLAB 的最小大小:通过MinTLABSize指定

TLAB 的最大大小:不同的 GC 中不同,G1 GC 中为大对象(humongous object)大小,也就是 G1 region 大小的一半。因为开头提到过,在 G1 GC 中,大对象不能在 TLAB 分配,而是老年代。ZGC 中为页大小的 8 分之一,类似的在大部分情况下 Shenandoah GC 也是每个 Region 大小的 8 分之一。他们都是期望至少有 8 分之 7 的区域是不用退回的减少选择 Cset 的时候的扫描复杂度。对于其他的 GC,则是 int 数组的最大大小,这个和为了填充 dummy object 表示 TLAB 的空区域有关。

image

为何要填充 dummy object

由于 TLAB 仅线程内知道哪些被分配了,在 GC 扫描发生时返回 Eden 区,如果不填充的话,外部并不知道哪一部分被使用哪一部分没有,需要做额外的检查,如果填充已经确认会被回收的对象,也就是 dummy object, GC 会直接标记之后跳过这块内存,增加扫描效率。反正这块内存已经属于 TLAB,其他线程在下次扫描结束前是无法使用的。这个 dummy object 就是 int 数组。为了一定能有填充 dummy object 的空间,一般 TLAB 大小都会预留一个 dummy object 的 header 的空间,也是一个 int[] 的 header,所以 TLAB 的大小不能超过int 数组的最大大小,否则无法用 dummy object 填满未使用的空间。

TLAB 的大小: 如果指定了TLABSize,就用这个大小作为初始大小。如果没有指定,则按照如下的公式进行计算: Eden 区大小 / (当前 epcoh 内会分配对象期望线程个数 * 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置)

当前 epcoh 内会分配对象期望线程个数,也就是会创建并初始化 TLAB 的线程个数,这个从之前提到的 EMA (Exponential Moving Average 指数平均数)算法采集预测而来。算法是:

采样次数小于等于 100 时,每次采样:
1. 次数权重 = 100 / 次数
2. 计算权重 = 次数权重 与 TLABAllocationWeight 中大的那个
3. 新的平均值 = (100% - 计算权重%) * 之前的平均值 + 计算权重% * 当前采样值
采样次数大于 100 时,每次采样:
新的平均值 = (100% - TLABAllocationWeight %) * 之前的平均值 + TLABAllocationWeight % * 当前采样值

可以看出 TLABAllocationWeight 越大,则最近的线程数量对于这个下个 epcoh 内会分配对象期望线程个数影响越大。

每个 epoch 内期望 refill 次数就是在每个 GC 扫描周期内,refill 的次数。那么什么是 refill 呢?

在 TLAB 内存充足的时候分配对象就是快分配,否则在 TLAB 内存不足的时候分配对象就是慢分配慢分配可能会发生两种处理:

1.线程获取新的 TLAB。老的 TLAB 回归 Eden,之后线程获取新的 TLAB 分配对象。 image2.对象在 TLAB 外分配,也就 Eden 区。 image

这两种处理主要由TLAB最大浪费空间决定,这是一个动态值初始TLAB最大浪费空间 = TLAB 的大小 / TLABRefillWasteFraction。根据前面提到的这个 JVM 参数,默认为TLAB 的大小的 64 分之一。之后,伴随着每次慢分配,这个TLAB最大浪费空间会每次递增 TLABWasteIncrement 大小的空间。如果当前 TLAB 的剩余容量大于TLAB最大浪费空间,就不在当前TLAB分配,直接在 Eden 区进行分配。如果剩余容量小于TLAB最大浪费空间,就丢弃当前 TLAB 回归 Eden,线程获取新的 TLAB 分配对象。refill 指的就是这种线程获取新的 TLAB 分配对象的行为。

那么,也就好理解为何要尽量满足 TLAB 的大小 = Eden 区大小 / (下个 epcoh 内会分配对象期望线程个数 * 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置)了。尽量让所有对象在 TLAB 内分配,也就是 TLAB 可能要占满 Eden。在下次 GC 扫描前,refill 回 Eden 的内存别的线程是不能用的,因为剩余空间已经填满了 dummy object。所以所有线程使用内存大小就是 下个 epcoh 内会分配对象期望线程个数 * 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置,对象一般都在 Eden 区由某个线程分配,也就所有线程使用内存大小就最好是整个 Eden。但是这种情况太过于理想,总会有内存被填充了 dummy object而造成了浪费,因为 GC 扫描随时可能发生。假设平均下来,GC 扫描的时候,每个线程当前的 TLAB 都有一半的内存被浪费,这个每个线程使用内存的浪费的百分比率(也就是 TLABWasteTargetPercent),也就是等于(注意,仅最新的那个 TLAB 有浪费,之前 refill 退回的假设是没有浪费的):

1/2 * (每个 epoch 内每个线程期望 refill 次数) * 100

那么每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置就等于 50 / TLABWasteTargetPercent, 默认也就是 50 次。

TLABResize 设置为 true 的时候,在每个 epoch 当线程需要分配对象的时候, TLAB 大小都会被重新计算,并用这个最新的大小去从 Eden 申请内存。如果没有对象分配则不重新计算,也不申请(废话~~~)。主要是为了能让线程 TLAB 的 refill 次数 接近于 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置。这样就能让浪费比例接近于用户配置的 TLABWasteTargetPercent.这个大小重新计算的公式为: TLAB 最新大小 * EMA refill 次数 / 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置

TLAB 相关源码详解

1. TLAB 类构成

线程初始化的时候,如果 JVM 启用了 TLAB(默认是启用的, 可以通过 -XX:-UseTLAB 关闭),则会初始化 TLAB。

TLAB 包括如下几个 field (HeapWord* 可以理解为堆中的内存地址): src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp

//静态全局变量
static size_t   _max_size;                          // 所有 TLAB 的最大大小
  static int      _reserve_for_allocation_prefetch;   // CPU 缓存优化 Allocation Prefetch 的保留空间,这里先不用关心
  static unsigned _target_refills;                    //每个 epoch 周期内期望的 refill 次数

//以下是 TLAB 的主要构成 field
HeapWord* _start;                              // TLAB 起始地址,表示堆内存地址都用 HeapWord* 
HeapWord* _top;                                // 上次分配的内存地址
HeapWord* _end;                                // TLAB 结束地址
size_t    _desired_size;                       // TLAB 大小 包括保留空间,表示内存大小都需要通过 size_t 类型,也就是实际字节数除以 HeapWordSize 的值
size_t    _refill_waste_limit;                 // TLAB最大浪费空间,剩余空间不足分配浪费空间限制。在TLAB剩余空间不足的时候,根据这个值决定分配策略,如果浪费空间大于这个值则直接在 Eden 区分配,如果小于这个值则将当前 TLAB 放回 Eden 区管理并从 Eden 申请新的 TLAB 进行分配。 
AdaptiveWeightedAverage _allocation_fraction;  // 当前 TLAB 占用所有TLAB最大空间(一般是Eden大小)的期望比例,通过 EMA 算法采集预测

//以下是我们这里不用太关心的 field
HeapWord* _allocation_end;                    // TLAB 真正可以用来分配内存的结束地址,这个是 _end 结束地址排除保留空间,至于为何需要保留空间我们这里先不用关心,稍后我们会解释这个参数
HeapWord* _pf_top;                            // Allocation Prefetch CPU 缓存优化机制相关需要的参数,这里先不用考虑
size_t    _allocated_before_last_gc;          // GC统计数据采集相关,例如线程内存申请数据统计等等,这里先不用关心
unsigned  _number_of_refills;                 // 线程分配内存数据采集相关,TLAB 剩余空间不足分配次数
unsigned  _fast_refill_waste;                 // 线程分配内存数据采集相关,TLAB 快速分配浪费,什么是快速分配,待会会说到
unsigned  _slow_refill_waste;                 // 线程分配内存数据采集相关,TLAB 慢速分配浪费,什么是慢速分配,待会会说到
unsigned  _gc_waste;                          // 线程分配内存数据采集相关,gc浪费
unsigned  _slow_allocations;                  // 线程分配内存数据采集相关,TLAB 慢速分配计数 
size_t    _allocated_size;                    //分配的内存大小
size_t    _bytes_since_last_sample_point;     // JVM TI 采集指标相关 field,这里不用关心

2. TLAB 初始化

首先是 JVM 启动的时候,全局 TLAB 需要初始化:src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp

void ThreadLocalAllocBuffer::startup_initialization() {
  //初始化,也就是归零统计数据
  ThreadLocalAllocStats::initialize();

  // 假设平均下来,GC 扫描的时候,每个线程当前的 TLAB 都有一半的内存被浪费,这个每个线程使用内存的浪费的百分比率(也就是 TLABWasteTargetPercent),也就是等于(注意,仅最新的那个 TLAB 有浪费,之前 refill 退回的假设是没有浪费的):1/2 * (每个 epoch 内每个线程期望 refill 次数) * 100
  //那么每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置就等于 50 / TLABWasteTargetPercent, 默认也就是 50 次。
  _target_refills = 100 / (2 * TLABWasteTargetPercent);
  // 但是初始的 _target_refills 需要设置最多不超过 2 次来减少 VM 初始化时候 GC 的可能性
  _target_refills = MAX2(_target_refills, 2U);

//如果 C2 JIT 编译存在并启用,则保留 CPU 缓存优化 Allocation Prefetch 空间,这个这里先不用关心,会在别的章节讲述
#ifdef COMPILER2
  if (is_server_compilation_mode_vm()) {
    int lines =  MAX2(AllocatePrefetchLines, AllocateInstancePrefetchLines) + 2;
    _reserve_for_allocation_prefetch = (AllocatePrefetchDistance + AllocatePrefetchStepSize * lines) /
                                       (int)HeapWordSize;
  }
#endif

  // 初始化 main 线程的 TLAB
  guarantee(Thread::current()->is_Java_thread(), "tlab initialization thread not Java thread");
  Thread::current()->tlab().initialize();
  log_develop_trace(gc, tlab)("TLAB min: " SIZE_FORMAT " initial: " SIZE_FORMAT " max: " SIZE_FORMAT,
                               min_size(), Thread::current()->tlab().initial_desired_size(), max_size());
}

每个线程维护自己的 TLAB,同时每个线程的 TLAB 大小不一。TLAB 的大小主要由 Eden 的大小,线程数量,还有线程的对象分配速率决定。 在 Java 线程开始运行时,会先分配 TLAB:src/hotspot/share/runtime/thread.cpp

void JavaThread::run() {
  // initialize thread-local alloc buffer related fields
  this->initialize_tlab();
  //剩余代码忽略
}

分配 TLAB 其实就是调用 ThreadLocalAllocBuffer 的 initialize 方法。 src/hotspot/share/runtime/thread.hpp

void initialize_tlab() {
    //如果没有通过 -XX:-UseTLAB 禁用 TLAB,则初始化TLAB
    if (UseTLAB) {
      tlab().initialize();
    }
}

// Thread-Local Allocation Buffer (TLAB) support
ThreadLocalAllocBuffer& tlab()                 {
  return _tlab; 
}

ThreadLocalAllocBuffer _tlab;

ThreadLocalAllocBuffer 的 initialize 方法初始化 TLAB 的上面提到的我们要关心的各种 field:src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp

void ThreadLocalAllocBuffer::initialize() {
  //设置初始指针,由于还没有从 Eden 分配内存,所以这里都设置为 NULL
  initialize(NULL,                    // start
             NULL,                    // top
             NULL);                   // end
  //计算初始期望大小,并设置
  set_desired_size(initial_desired_size());
  //所有 TLAB 总大小,不同的 GC 实现有不同的 TLAB 容量, 一般是 Eden 区大小
  //例如 G1 GC,就是等于 (_policy->young_list_target_length() - _survivor.length()) * HeapRegion::GrainBytes,可以理解为年轻代减去Survivor区,也就是Eden区
  size_t capacity = Universe::heap()->tlab_capacity(thread()) / HeapWordSize;
  //计算这个线程的 TLAB 期望占用所有 TLAB 总体大小比例
  //TLAB 期望占用大小也就是这个 TLAB 大小乘以期望 refill 的次数
  float alloc_frac = desired_size() * target_refills() / (float) capacity;
  //记录下来,用于计算 EMA
  _allocation_fraction.sample(alloc_frac);
  //计算初始 refill 最大浪费空间,并设置
  //如前面原理部分所述,初始大小就是 TLAB 的大小(_desired_size) / TLABRefillWasteFraction
  set_refill_waste_limit(initial_refill_waste_limit());
  //重置统计
  reset_statistics();
}

2.1. 初始期望大小是如何计算的呢?

src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp

//计算初始大小
size_t ThreadLocalAllocBuffer::initial_desired_size() {
  size_t init_sz = 0;
  //如果通过 -XX:TLABSize 设置了 TLAB 大小,则用这个值作为初始期望大小
  //表示堆内存占用大小都需要用占用几个 HeapWord 表示,所以用TLABSize / HeapWordSize
  if (TLABSize > 0) {
    init_sz = TLABSize / HeapWordSize;
  } else {
    //获取当前epoch内线程数量期望,这个如之前所述通过 EMA 预测
    unsigned int nof_threads = ThreadLocalAllocStats::allocating_threads_avg();
    //不同的 GC 实现有不同的 TLAB 容量,Universe::heap()->tlab_capacity(thread()) 一般是 Eden 区大小
    //例如 G1 GC,就是等于 (_policy->young_list_target_length() - _survivor.length()) * HeapRegion::GrainBytes,可以理解为年轻代减去Survivor区,也就是Eden区
    //整体大小等于 Eden区大小/(当前 epcoh 内会分配对象期望线程个数 * 每个 epoch 内每个线程 refill 次数配置)
    //target_refills已经在 JVM 初始化所有 TLAB 全局配置的时候初始化好了
    init_sz  = (Universe::heap()->tlab_capacity(thread()) / HeapWordSize) /
                      (nof_threads * target_refills());
    //考虑对象对齐,得出最后的大小
    init_sz = align_object_size(init_sz);
  }
  //保持大小在  min_size() 还有 max_size() 之间
  //min_size主要由 MinTLABSize 决定
  init_sz = MIN2(MAX2(init_sz, min_size()), max_size());
  return init_sz;
}

//最小大小由 MinTLABSize 决定,需要表示为 HeapWordSize,并且考虑对象对齐,最后的 alignment_reserve 是 dummy object 填充的对象头大小(这里先不考虑 JVM 的 CPU 缓存 prematch,我们会在其他章节详细分析)。
static size_t min_size()                       { 
    return align_object_size(MinTLABSize / HeapWordSize) + alignment_reserve(); 
}

2.2. TLAB 最大大小是怎样决定的呢?

不同的 GC 方式,有不同的方式:

G1 GC 中为大对象(humongous object)大小,也就是 G1 region 大小的一半:src/hotspot/share/gc/g1/g1CollectedHeap.cpp

// For G1 TLABs should not contain humongous objects, so the maximum TLAB size
// must be equal to the humongous object limit.
size_t G1CollectedHeap::max_tlab_size() const {
  return align_down(_humongous_object_threshold_in_words, MinObjAlignment);
}

ZGC 中为页大小的 8 分之一,类似的在大部分情况下 Shenandoah GC 也是每个 Region 大小的 8 分之一。他们都是期望至少有 8 分之 7 的区域是不用退回的减少选择 Cset 的时候的扫描复杂度: src/hotspot/share/gc/shenandoah/shenandoahHeap.cpp

MaxTLABSizeWords = MIN2(ShenandoahElasticTLAB ? RegionSizeWords : (RegionSizeWords / 8), HumongousThresholdWords);

src/hotspot/share/gc/z/zHeap.cpp

const size_t      ZObjectSizeLimitSmall         = ZPageSizeSmall / 8;

对于其他的 GC,则是 int 数组的最大大小,这个和为了填充 dummy object 表示 TLAB 的空区域有关。这个原因之前已经说明了。

3. TLAB 分配内存

当 new 一个对象时,需要调用instanceOop InstanceKlass::allocate_instance(TRAPS)src/hotspot/share/oops/instanceKlass.cpp

instanceOop InstanceKlass::allocate_instance(TRAPS) {
  bool has_finalizer_flag = has_finalizer(); // Query before possible GC
  int size = size_helper();  // Query before forming handle.

  instanceOop i;

  i = (instanceOop)Universe::heap()->obj_allocate(this, size, CHECK_NULL);
  if (has_finalizer_flag && !RegisterFinalizersAtInit) {
    i = register_finalizer(i, CHECK_NULL);
  }
  return i;
}

其核心就是heap()->obj_allocate(this, size, CHECK_NULL)从堆上面分配内存:src/hotspot/share/gc/shared/collectedHeap.inline.hpp

inline oop CollectedHeap::obj_allocate(Klass* klass, int size, TRAPS) {
  ObjAllocator allocator(klass, size, THREAD);
  return allocator.allocate();
}

使用全局的 ObjAllocator 实现进行对象内存分配:src/hotspot/share/gc/shared/memAllocator.cpp

oop MemAllocator::allocate() const {
  oop obj = NULL;
  {
    Allocation allocation(*this, &obj);
    //分配堆内存,继续看下面一个方法
    HeapWord* mem = mem_allocate(allocation);
    if (mem != NULL) {
      obj = initialize(mem);
    } else {
      // The unhandled oop detector will poison local variable obj,
      // so reset it to NULL if mem is NULL.
      obj = NULL;
    }
  }
  return obj;
}
HeapWord* MemAllocator::mem_allocate(Allocation& allocation) const {
  //如果使用了 TLAB,则从 TLAB 分配,分配代码继续看下面一个方法
  if (UseTLAB) {
    HeapWord* result = allocate_inside_tlab(allocation);
    if (result != NULL) {
      return result;
    }
  }
  //否则直接从 tlab 外分配
  return allocate_outside_tlab(allocation);
}
HeapWord* MemAllocator::allocate_inside_tlab(Allocation& allocation) const {
  assert(UseTLAB, "should use UseTLAB");

  //从当前线程的 TLAB 分配内存,TLAB 快分配
  HeapWord* mem = _thread->tlab().allocate(_word_size);
  //如果没有分配失败则返回
  if (mem != NULL) {
    return mem;
  }

  //如果分配失败则走 TLAB 慢分配,需要 refill 或者直接从 Eden 分配
  return allocate_inside_tlab_slow(allocation);
}

3.1. TLAB 快分配

src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.inline.hpp

inline HeapWord* ThreadLocalAllocBuffer::allocate(size_t size) {
  //验证各个内存指针有效,也就是 _top 在 _start 和 _end 范围内
  invariants();
  HeapWord* obj = top();
  //如果空间足够,则分配内存
  if (pointer_delta(end(), obj) >= size) {
    set_top(obj + size);
    invariants();
    return obj;
  }
  return NULL;
}

3.2. TLAB 慢分配

src/hotspot/share/gc/shared/memAllocator.cpp

HeapWord* MemAllocator::allocate_inside_tlab_slow(Allocation& allocation) const {
  HeapWord* mem = NULL;
  ThreadLocalAllocBuffer& tlab = _thread->tlab();

  // 如果 TLAB 剩余空间大于 最大浪费空间,则记录并让最大浪费空间递增
  if (tlab.free() > tlab.refill_waste_limit()) {
    tlab.record_slow_allocation(_word_size);
    return NULL;
  }

  //重新计算 TLAB 大小
  size_t new_tlab_size = tlab.compute_size(_word_size);
  //TLAB 放回 Eden 区
  tlab.retire_before_allocation();
  
  if (new_tlab_size == 0) {
    return NULL;
  }

  // 计算最小大小
  size_t min_tlab_size = ThreadLocalAllocBuffer::compute_min_size(_word_size);
  //分配新的 TLAB 空间,并在里面分配对象
  mem = Universe::heap()->allocate_new_tlab(min_tlab_size, new_tlab_size, &allocation._allocated_tlab_size);
  if (mem == NULL) {
    assert(allocation._allocated_tlab_size == 0,
           "Allocation failed, but actual size was updated. min: " SIZE_FORMAT
           ", desired: " SIZE_FORMAT ", actual: " SIZE_FORMAT,
           min_tlab_size, new_tlab_size, allocation._allocated_tlab_size);
    return NULL;
  }
  assert(allocation._allocated_tlab_size != 0, "Allocation succeeded but actual size not updated. mem at: "
         PTR_FORMAT " min: " SIZE_FORMAT ", desired: " SIZE_FORMAT,
         p2i(mem), min_tlab_size, new_tlab_size);
  //如果启用了 ZeroTLAB 这个 JVM 参数,则将对象所有字段置零值
  if (ZeroTLAB) {
    // ..and clear it.
    Copy::zero_to_words(mem, allocation._allocated_tlab_size);
  } else {
    // ...and zap just allocated object.
  }

  //设置新的 TLAB 空间为当前线程的 TLAB
  tlab.fill(mem, mem + _word_size, allocation._allocated_tlab_size);
  //返回分配的对象内存地址
  return mem;
}
3.2.1 TLAB最大浪费空间

TLAB最大浪费空间 _refill_waste_limit 初始值为 TLAB 大小除以 TLABRefillWasteFraction:src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.hpp

size_t initial_refill_waste_limit()            { return desired_size() / TLABRefillWasteFraction; }

每次慢分配,调用record_slow_allocation(size_t obj_size)记录慢分配的同时,增加 TLAB 最大浪费空间的大小:

src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp

void ThreadLocalAllocBuffer::record_slow_allocation(size_t obj_size) {
  //每次慢分配,_refill_waste_limit 增加 refill_waste_limit_increment,也就是 TLABWasteIncrement
  set_refill_waste_limit(refill_waste_limit() + refill_waste_limit_increment());
  _slow_allocations++;
  log_develop_trace(gc, tlab)("TLAB: %s thread: " INTPTR_FORMAT " [id: %2d]"
                              " obj: " SIZE_FORMAT
                              " free: " SIZE_FORMAT
                              " waste: " SIZE_FORMAT,
                              "slow", p2i(thread()), thread()->osthread()->thread_id(),
                              obj_size, free(), refill_waste_limit());
}
//refill_waste_limit_increment 就是 JVM 参数 TLABWasteIncrement
static size_t refill_waste_limit_increment()   { return TLABWasteIncrement; }
3.2.2. 重新计算 TLAB 大小

src/hotspot/share/gc/shared/threadLocalAllocBuffer.cpp_desired_size是什么时候变得呢?怎么变得呢?

void ThreadLocalAllocBuffer::resize() {
  assert(ResizeTLAB, "Should not call this otherwise");
  //根据 _allocation_fraction 这个 EMA 采集得出平均数乘以Eden区大小,得出 TLAB 当前预测占用内存比例
  size_t alloc = (size_t)(_allocation_fraction.average() *
                          (Universe::heap()->tlab_capacity(thread()) / HeapWordSize));
  //除以目标 refill 次数就是新的 TLAB 大小,和初始化时候的结算方法差不多
  size_t new_size = alloc / _target_refills;
  //保证在 min_size 还有 max_size 之间
  new_size = clamp(new_size, min_size(), max_size());

  size_t aligned_new_size = align_object_size(new_size);

  log_trace(gc, tlab)("TLAB new size: thread: " INTPTR_FORMAT " [id: %2d]"
                      " refills %d  alloc: %8.6f desired_size: " SIZE_FORMAT " -> " SIZE_FORMAT,
                      p2i(thread()), thread()->osthread()->thread_id(),
                      _target_refills, _allocation_fraction.average(), desired_size(), aligned_new_size);
  //设置新的 TLAB 大小
  set_desired_size(aligned_new_size);
  //重置 TLAB 最大浪费空间
  set_refill_waste_limit(initial_refill_waste_limit());
}

那是什么时候调用 resize 的呢?一般是每次** GC 完成的时候**。大部分的 GC 都是在gc_epilogue方法里面调用,将每个线程的 TLAB 均 resize 掉。

4. TLAB 回收

TLAB 回收就是指线程将当前的 TLAB 丢弃回 Eden 区。TLAB 回收有两个时机:一个是之前提到的在分配对象时,剩余 TLAB 空间不足,在 TLAB 满但是浪费空间小于最大浪费空间的情况下,回收当前的 TLAB 并获取一个新的。另一个就是在发生 GC 时,其实更准确的说是在 GC 开始扫描时。不同的 GC 可能实现不一样,但是时机是基本一样的,这里以 G1 GC 为例:

src/hotspot/share/gc/g1/g1CollectedHeap.cpp

void G1CollectedHeap::gc_prologue(bool full) {
  //省略其他代码

  // Fill TLAB's and such
  {
    Ticks start = Ticks::now();
    //确保堆内存是可以解析的
    ensure_parsability(true);
    Tickspan dt = Ticks::now() - start;
    phase_times()->record_prepare_tlab_time_ms(dt.seconds() * MILLIUNITS);
  }
  //省略其他代码
}

为何要确保堆内存是可以解析的呢?这样有利于更快速的扫描堆上对象。确保内存可以解析里面做了什么呢?

void CollectedHeap::ensure_parsability(bool retire_tlabs) {
  //真正的 GC 肯定发生在安全点上,这个在后面安全点章节会详细说明
  assert(SafepointSynchronize::is_at_safepoint() || !is_init_completed(),
         "Should only be called at a safepoint or at start-up");

  ThreadLocalAllocStats stats;
  for (JavaThreadIteratorWithHandle jtiwh; JavaThread *thread = jtiwh.next();) {
    BarrierSet::barrier_set()->make_parsable(thread);
    //如果全局启用了 TLAB
    if (UseTLAB) {
      //如果指定要回收,则回收 TLAB
      if (retire_tlabs) {
        //回收 TLAB 其实就是将 ThreadLocalAllocBuffer 的堆内存指针 MarkWord 置为 NULL
        thread->tlab().retire(&stats);
      } else {
        //当前如果不回收,则将 TLAB 填充 Dummy Object 利于解析
        thread->tlab().make_parsable();
      }
    }
  }

  stats.publish();
}

TLAB 主要流程总结

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JFR 对于 TLAB 的监控

根据上面的原理以及源代码分析,可以得知 TLAB 是 Eden 区的一部分,主要用于线程本地的对象分配。在 TLAB 满的时候分配对象内存,可能会发生两种处理:

  1. 线程获取新的 TLAB。老的 TLAB 回归 Eden,Eden进行管理,之后线程通过新的 TLAB 分配对象。
  2. 对象在 TLAB 外分配,也就 Eden 区。

对于 线程获取新的 TLAB 这种处理,也就是 refill,按照 TLAB 设计原理,这个是经常会发生的,每个 epoch 内可能会都会发生几次。但是对象直接在 Eden 区分配,是我们要避免的。JFR 对于

JFR 针对这两种处理有不同的事件可以监控。分别是jdk.ObjectAllocationOutsideTLABjdk.ObjectAllocationInNewTLABjdk.ObjectAllocationInNewTLAB对应 refill,这个一般我们没有监控的必要(在你没有修改默认的 TLAB 参数的前提下),用这个测试并学习 TLAB 的意义比监控的意义更大。jdk.ObjectAllocationOutsideTLAB对应对象直接在 Eden 区分配,是我们需要监控的。至于怎么不影响线上性能安全的监控,怎么查看并分析,怎么解决,以及测试生成这两个事件,会在下一节详细分析。

同时