JVM学习

1，JVM调优的目的？

减少STW，也即是减少GC次数，提高程序运行效率。

2，为什么要设计一个STW机制？

这和垃圾回收有关（GC），确保同一时刻系统状态的一致性，防止并发修改导致的不一致性。

确保操作的一致性

场景：在垃圾回收（GC）、内存压缩或某些系统级操作中，需要冻结整个系统的状态，防止并发修改导致的数据不一致。
示例：如果垃圾回收器在标记存活对象时，用户线程同时修改对象引用，可能导致错误回收仍在使用的内存（即"悬挂指针"）。
STW的作用：暂停所有线程后，系统可以安全地遍历对象图或执行原子操作，避免中间状态干扰。

3，JVM内存分配策略

1），对象内存分配策略

JVM 主要采用 分代分配（Generational Allocation） ，优先在**新生代（Young Generation）**分配，具体策略如下：

优先在 Eden 区分配
- 大多数新对象在 Eden 区 分配。
- 如果 Eden 区空间不足，触发 Minor GC（Young GC）。
大对象直接进入老年代
- 如果对象大小超过 -XX:PretenureSizeThreshold（默认 0，由 GC 决定），直接进入 老年代（Old Generation）。
- 避免大对象在 Eden 区频繁复制（如大数组）。
长期存活对象进入老年代
- 对象每经历一次 Minor GC，年龄（Age） +1。
- 当年龄达到 -XX:MaxTenuringThreshold（默认 15），晋升到老年代。
空间分配担保（Handle Promotion）
- 如果 Minor GC 后 Survivor 区放不下存活对象，JVM 会检查老年代剩余空间：
  - 如果足够，直接进入老年代。
  - 如果不足，触发 Full GC。

2），对象动态年龄判断机制

在 Survivor 区（From/To）中，对象的年龄通常由 MaxTenuringThreshold 控制（默认 15）。但 JVM 还采用 动态年龄计算（Dynamic Ageing） 来优化晋升策略：

规则

目标：让 Survivor 区中年龄 1 + 年龄 2 + ... + 年龄 N 的对象总大小 > 50% Survivor 区，则所有年龄 ≥ N 的对象直接晋升老年代。
作用：
- 避免 Survivor 区被长期存活的小对象占满。
- 减少不必要的复制开销。

总结

|----------|-------------------------------------------------|
| 对象创建 | 类加载 → 内存分配（指针碰撞/空闲列表）→ 初始化 → 对象头设置 → 构造方法执行 |
| 内存分配 | Eden 优先 → 大对象直接进老年代 → 长期存活晋升老年代 → 空间担保 |
| 动态年龄 | Survivor 区中年龄 1+2+...+N 的对象 >50% 时，年龄 ≥N 的直接晋升 |

在 JVM 中，**对象内存分配** 是一个高频操作，而多线程环境下，多个线程可能同时申请内存，因此必须保证分配的**线程安全**。JVM 主要通过以下机制确保对象内存分配的线程安全：

1. 内存分配时的线程安全挑战

当多个线程同时创建对象时，可能引发以下问题：

**内存指针竞争**：多个线程同时移动指针（Bump the Pointer），导致数据覆盖。
**空闲列表冲突**：多个线程同时修改空闲列表（Free List），导致内存分配错误。
**TLAB 分配失败**：线程本地缓冲区（TLAB）用尽后，回退到全局分配时的竞争。

4， JVM 的内存分配线程安全机制

JVM 采用多种策略来保证对象内存分配的线程安全：

(1) TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）线程本地分配缓冲区

**原理 **：
每个线程在 **Eden 区** 预先分配一小块私有内存（TLAB），线程优先在自己的 TLAB 中分配对象。
分配时仅需移动线程本地的指针，无需全局同步。
**优点**：
**无锁分配**，减少竞争。
适合小对象的高频分配。
**缺点**：
TLAB 用尽后，仍需全局分配（可能触发同步）。
**相关参数**：
`-XX:+UseTLAB`（默认开启）
`-XX:TLABSize`（调整 TLAB 大小）

(2) CAS（Compare-And-Swap）分配

**适用场景 **：
当 TLAB 不足或分配大对象时，回退到 **Eden 区的全局分配**。
使用 **CAS（原子操作）** 更新全局指针（Bump the Pointer）。
**优点**：
比锁更轻量级。
**缺点**：
CAS 失败时需要重试，可能影响性能。

(3) 锁同步（如 Mutex）

**适用场景**：
某些垃圾回收器（如 CMS）使用 **空闲列表（Free List）** 管理内存，分配时需加锁。
**实现方式**：
通过 **pthread_mutex** 或 **JVM 内部锁** 保护空闲列表。
**缺点**：
锁竞争可能成为瓶颈。

(4) 逃逸分析与栈上分配

**原理**：
如果 JVM 通过 **逃逸分析（Escape Analysis）** 发现对象**不会逃逸出线程**（即仅被当前线程使用），则直接在 **栈上分配**。
栈是线程私有的，无需同步。
**优点**：
完全无锁，减少 GC 压力。
**限制**：
仅适用于**未逃逸的小对象**（默认不开启，需 `-XX:+DoEscapeAnalysis`）。

3. 不同垃圾回收器的分配策略

| **GC 收集器** | **内存分配方式** | **线程安全机制** |

|---------------------|------------------------------|-------------------------------|

| **Serial / ParNew** | 指针碰撞（Bump the Pointer） | TLAB + CAS（全局分配） |

| **CMS** | 空闲列表（Free List） | TLAB + 锁（Free List 修改） |

| **G1 / ZGC** | 分区（Region）分配 | TLAB + CAS（全局分配） |

4. 优化建议

**减少对象分配频率**：

重用对象（如对象池）。
避免在热点代码中频繁创建小对象。

**调整 TLAB 大小**：

如果小对象分配竞争激烈，可增大 TLAB（`-XX:TLABSize`）。

**选择合适的 GC**：

低延迟场景用 ZGC/Shenandoah，高吞吐用 G1/Parallel GC。

**总结**

JVM 通过 **TLAB（线程本地缓冲）** + **CAS/锁同步** 的组合策略，在对象内存分配时保证线程安全：

**TLAB 优先**：无锁分配，减少竞争。
**CAS 回退**：TLAB 不足时，使用原子操作更新全局指针。
**锁同步**：某些 GC 使用锁管理空闲列表。
**栈上分配**：对未逃逸对象优化，彻底避免同步。

这样既保证了多线程安全，又尽可能减少了锁竞争对性能的影响。