jvm 对象空间分配机制深度解析：指针碰撞 vs 空闲链表

在 JVM 的线性内存空间中，要给新建的对象分配内存，有两种基本分配方式：指针碰撞（Bump-the-Pointer） 和 空闲链表（Free List）。让我们深入分析这两种机制以及它们在 TLAB 中的实现方式：

1. 两种基本分配策略

1.1 指针碰撞 (Bump-the-Pointer)

原理：
- 维护一个指针标记空闲空间的起始位置
- 分配新对象时只需将指针向后移动对象大小的距离
- 需要原子操作保证线程安全（如CAS）
优点：分配速度极快（O(1)时间复杂度）
缺点：要求内存空间完全连续
适用场景：垃圾回收器压缩内存后（如Serial, Parallel Scavenge）

1.2 空闲链表 (Free List)

graph LR subgraph 碎片内存空间 direction LR Used1[对象A] --> Free1[空闲块1] Free1 --> Used2[对象B] Used2 --> Free2[空闲块2] end A[对象分配请求] --> B[遍历空闲链表] B --> C{找到合适块？} C -->|是| D[分割或占用] D --> E[更新链表] E --> F[分配完成] C -->|否| G[分配失败]

原理：
- 维护一个记录所有空闲内存块的链表
- 分配时需要遍历找到足够大的空闲块
- 如果空闲块过大，可分割使用
优点：支持碎片内存
缺点：分配速度较慢（O(n)时间复杂度）
适用场景：垃圾回收器不支持压缩时（如CMS）

2. JVM 的实际分配策略

2.1 分配策略选择

垃圾回收器	分配策略
Serial	指针碰撞 + TLAB
Parallel Scavenge	指针碰撞 + TLAB
ParNew	指针碰撞 + TLAB
CMS	空闲链表 + TLAB
G1	混合策略 + TLAB

2.2 TLAB 的分配机制

关键结论：TLAB 内部使用指针碰撞进行分配

flowchart TD subgraph TLAB内部分配 TLAB[TLAB内存块] --> Pointer[top指针] NewObject[新对象] --> CheckSpace{空闲空间 >= 对象大小} CheckSpace -->|是| Allocate[移动top指针分配] CheckSpace -->|否| Refill[申请新TLAB] end

TLAB 分配原理 ：
1. JVM 为每个线程在 Eden 区分配一块私有缓冲区（TLAB）
2. TLAB 内部使用指针碰撞 机制：
  - 每个线程维护 start、top、end 三个指针
  - 分配时简单比较 top + size <= end
  - 满足条件则移动 top 指针分配对象
3. 当 TLAB 空间不足时：
  - 当前 TLAB 保留为"填充区"
  - 新建另一个 TLAB 继续分配
  - 新TLAB从堆中申请（使用空闲链表或指针碰撞）

3. TLAB 内存管理详解

3.1 TLAB 生命周期

sequenceDiagram participant Thread participant JVM participant Eden Thread->>JVM: 对象分配请求 alt TLAB有足够空间 Thread->>TLAB: 指针碰撞分配 TLAB-->>Thread: 返回分配地址 else TLAB空间不足 Thread->>JVM: 申请新TLAB alt Eden有连续空间 Eden->>JVM: 指针碰撞分配新TLAB else Eden碎片化 Eden->>JVM: 空闲链表分配新TLAB end JVM-->>Thread: 新TLAB地址 Thread->>新TLAB: 指针碰撞分配对象 end

3.2 TLAB 分配优化

graph TB subgraph TLAB内存结构 TLAB --> Start[起始地址] TLAB --> Top[当前分配指针] TLAB --> End[结束地址] end subgraph 优化策略 Space1[空间浪费控制] --> 通过TLABWaste限制填充区大小 Space2[自适应调整] --> 根据线程分配速率调整TLAB大小 Space3[重试机制] --> 少量空间不足时可重试 end

3.3 JVM 实际分配流程

c 复制代码

// 伪代码：真实对象分配逻辑
void* allocate_object(size_t size) {
    if (size > MAX_TLAB_ALLOC_SIZE) {
        // 大对象直接堆分配
        return heap_allocate(size);
    }

    if (current_tlab.available() >= size) {
        // TLAB指针碰撞快速分配
        void* addr = current_tlab.top;
        current_tlab.top += size;
        return addr;
    }

    // TLAB空间不足处理
    if (size > current_tlab.remaining()) {
        // 申请新TLAB
        current_tlab = allocate_new_tlab();
        if (current_tlab.available() >= size) {
            // 新TLAB分配
            return allocate_in_tlab(size);
        }
    }

    // 尝试慢速分配路径
    return slow_allocate(size);
}

4. 性能对比

4.1 分配速度测试

分配方式	耗时 (ns/对象)	适用场景
TLAB + 指针碰撞	5-10ns	常规对象分配
堆指针碰撞	20-50ns	年轻代整块分配
空闲链表	100-500ns	老年代碎片化内存
操作系统内存分配	500-2000ns	堆外内存分配

4.2 为什么需要 TLAB

问题根源：堆分配需要原子操作保证线程安全
TLAB解决方案 ：
- 每个线程独享分配缓冲区
- TLAB内部无锁分配
- 避免全局指针的竞争
性能提升：高并发下效率提升10倍以上

5. 生产环境建议

最佳实践：

监控TLAB分配情况：XX:+PrintTLAB
适当增大TLAB：XX:TLABSize=256k（默认64k）
限制大对象分配：避免在循环中分配大对象
优化对象大小：减少内存碎片
TLAB 参数配置：

JVM参数	默认值	作用
`-XX:+UseTLAB`	true（1.4开始）	启用TLAB
`-XX:TLABSize`	0(自动)	初始TLAB大小
`-XX:MinTLABSize`	8KB	最小TLAB大小
`-XX:TLABRefillWasteFraction`	64	浪费空间阈值

6.完整的对象内存分配流程

flowchart TD A[新建对象] --> B{对象超大?} B -->|是| C[直接分配到老年代] B -->|否| D{是否启用TLAB?} D -->|是| E[优先在TLAB分配] D -->|否| F[在堆Eden区分配] E --> G[TLAB空间足够?] G -->|是| H[TLAB内快速分配] G -->|否| I{启用分配重试?} I -->|是| J[在堆Eden区慢速分配] I -->|否| K[分配失败触发GC] H --> L[对象创建完成] J --> L K -->|GC后| M[重新尝试分配] M -->|成功| L M -->|失败| N[OOM异常]

7.对象内存分配要点

7.1 对象预筛选

graph LR Object[新建对象] --> SizeCheck{对象大小} SizeCheck -->|小对象| Normal[常规分配] SizeCheck -->|大对象| DirectOld[直接进入老年代] Normal --> RegionCheck{区域选择} RegionCheck --> TLAB[线程本地缓存] RegionCheck --> Eden[堆Eden区]

7.2 分配优先级（三级分配机制）

sequenceDiagram Thread->>TLAB: 尝试在TLAB分配 alt TLAB空间足够 TLAB->>Thread: 快速分配成功 else TLAB空间不足 Thread->>Eden: 尝试Eden分配 alt Eden空间足够 Eden->>Thread: 分配成功 else Eden空间不足 Eden->>GC: 触发Young GC GC->>Eden: 清理空间 alt GC后空间足够 Eden->>Thread: 分配成功 else GC后仍不足 GC->>Heap: 触发Full GC alt Full GC后足够 Heap->>Thread: 分配成功 else Heap->>Thread: 抛出OOM end end end end

7.3 TLAB技术加持

graph TB TLAB[TLAB机制] --> Purpose[目的] Purpose --> 减少锁竞争 Purpose --> 加速分配 TLAB --> Working[工作原理] Working --> Step1[每个线程独立缓冲区] Working --> Step2[优先在TLAB分配] Working --> Step3[空间不足申请新TLAB] TLAB --> Structure[内存结构] Structure --> Start[起始指针] Structure --> Top[当前分配指针] Structure --> End[结束指针]

8.对象在堆中的典型布局

graph LR Eden[Eden区] --> Obj1[对象A] Eden --> TLAB1[线程1 TLAB] Eden --> TLAB2[线程2 TLAB] Eden --> Obj2[对象B] TLAB1 --> T1Obj1[对象C] TLAB1 --> T1Obj2[对象D] TLAB1 --> TLAB1Free[空闲空间] TLAB2 --> T2Obj1[对象E] TLAB2 --> T2Free[空闲空间]