新生代内存管理
新生代内存管理包含了内存的分配和回收，这与新生代内存布局密切相关。
新生代被划分为3个空间：Eden、From和To空间。
这3个空间的作用如下：
1）Eden：仅用于应用程序对象分配；GC工作线程不会在该空间进行对象分配。
2）From：用于GC工作线程在执行垃圾回收时，在前一轮垃圾回收后活跃对象的存储。在特殊情况下，From空间也可以用于应用程序对象的分配（这是JVM在实现对象分配时的一种优化），但GC工作线程不会在该空间进行对象分配。
3）To：用于在GC工作线程执行垃圾回收时，存储本轮垃圾回收过程中活跃的对象。垃圾回收过程将Eden空间和From空间中的活跃对象放入To空间。
只有GC工作线程能在该空间进行对象分配，应用程序不能使用该空间进行对象分配。
串行回收使用单线程进行垃圾回收。Java语言支持多线程应用，应用分配对象的空间通常是Eden空间（此处暂不讨论JVM中From空间的优化使用），多个线程同时在一个空间中分配对象，需要设计高效的分配算法来提高应用程序的运行效率。新生代的高速分配算法实际上不仅包含在堆空间中进行对象分配，还包含对新生代堆空间进行垃圾回收后内存的再访问机制（主要指回收后访存的效率）。整体分配算法包含：高速无锁分配、加锁慢速分配、内存不足情况下的垃圾回收后再分配。JVM的内存分配流程图如图3-5所示。
图3-5 JVM内存分配流程示意图
设计3种分配方式的目的如下：
1）优先进行高速无锁分配，这是我们期望的情况，在这种场景中效率最高，具体内容在3.2.1节讨论。
2）当内存不足时，会在进行垃圾回收之后重用内存空间并再次进行分配，这将在3.2.2～3.2.6节讨论。
3）加锁的慢速分配是一个中间状态，主要用于解决：当Mutator直接在堆空间进行内存分配时需要互斥锁（同时也要保证多个Mutator之间竞争的公平性，防止某一个Mutator因为并发锁一直无法成功分配）；在整个JVM运行期间可能已经有其他Mutator因内存不足触发了垃圾回收，通常进行垃圾回收之后有大量可以使用的内存，在这种情况下，Mutator可以在加锁的情况下直接完成分配，该状态是设计和实现的一个优化点。
新生代内存分配
堆内存中供应用分配对象的空间只有一个（即Eden），而Mutator是多个同时执行，这意味着存在多个Mutator同时在Eden中分配对象的情况，因为Eden属于临界资源，在使用临界资源时需要互斥锁。使用互斥锁的结果就是多个Mutator需要按照内存分配请求的顺序串行执行，而这样的设计将导致Mutator的运行效率较低，所以JVM需要寻找一种高速的无锁内存分配方法来解决多个Mutator互斥访问Eden的问题。这种高速无锁分配在JVM中称为TLAB（
Thread-Local-Allocation-Buffer），在其他资料中也称为TLS（Thread-Local-Storage）或者TLH（Thread-Local-Heap）。
TLAB的设计思路就是为每个Mutator分配一个专有的本地缓冲区，每个Mutator在对象分配的时候，优先从本地的缓冲区进行分配，只有在第一次从堆空间中初始化TLAB时才需要加锁分配，这样将大大减少多个Mutator之间分配时的互斥问题。多个Mutator使用TLAB的示意图如图3-6所示。
图3-6 多Mutator使用TLAB进行对象分配示意图
线程（Thread1和Thread2）分别从Eden中分配一个TLAB，Thread1和Thread2的内存分配都是从自己的TLAB中分配的。
虽然使用TLAB的分配方式能减少多个Mutator之间的互斥锁，但是也带来了设计上的复杂性。有两个需要特别注意的地方：
1）TLAB的大小。如果TLAB太小，那么缓冲区很快被填满，需要再次从堆空间请求一个新的TLAB。频繁地从堆空间请求TLAB将导致潜在的锁冲突，从而导致性能下降。如果TLAB过大，虽然不会导致频繁的锁冲突，但是可能导致TLAB一直填不满，存在潜在的空间浪费。
2）何时申请新的TLAB。简单的回答是在TLAB使用完了之后就申请一个新的TLAB。但是判断TLAB是否使用完毕并不容易，原因在于TLAB的大小是固定的，而应用中请求的对象大小并不固定，这就意味着TLAB通常无法完美地被使用完毕，在TLAB即将使用完毕的时候，剩余的大小并不固定。也就是说在TLAB即将用完的时候，需要一个机制判断是否需要申请新的TLAB。通过一个简单的示意图演示该问题，如图3-7所示。
图3-7 TLAB无法满足分配请求示意图
图3-7中演示了TLAB剩余的空间不满足Mutator新对象的分配场景，此时该如何处理？这就需要一个机制来判断是否申请新的TLAB。通常做法如下：
当剩余空间比较少时，直接申请一个新的TLAB，丢弃原来TLAB中剩余的空间。
当剩余空间比较多时，如果直接申请一个新的TLAB，放弃原来的TLAB将导致空间浪费。在这种情况下，为了减少空间的浪费，通常不会申请一个新的TLAB，而是直接在堆空间进行对象分配（当然分配时需要对堆空间进行加锁）。这是典型的用时间（加锁分配）换空间（TLAB剩余空间）的做法。
Mutator从堆空间直接分配TLAB并使用TLAB响应应用的分配，当TLAB满了以后，无须进行额外的处理。因为TLAB来自堆空间，在进行垃圾回收的时候会对堆空间进行回收，所以无须进行额外的处理。唯一需要额外处理的是在丢弃TLAB中尚未使用的空间时，需要给剩余空间填充一个垃圾对象（也称为Dummy对象），这样做的目的是保持堆的可解析性（Heap Parsability）。
多线程使用TLAB过程中TLAB满的例子如图3-8所示。假设有两个线程Thread1（简称T1）和Thread2（简称T2），它们都是应用程序线程，在运行时都需要一个TLAB，应用程序线程分配对象都在TLAB中，T1的TLAB在分配对象的时候，因为剩余空间不足以满足对象的大小，所以直接在堆空间Eden中直接分配；此时T1的TLAB仍然指向最初的TLAB；T2的第一个TLAB已经满了（或者说剩余空间比较少，填充Dummy对象之后满了），重新分配一个新的TLAB供新的分配。
图3-8 多线程使用TLAB过程中TLAB满的例子
在JVM的实现中，TLAB的初始大小可以通过参数（TLABSize）调整。另外，JVM也可以通过反馈机制动态调整TLAB的大小（如果允许动态调整TLAB的大小，则需要确保参数ResizeTLAB为true），从而在时间（加锁耗时）和空间（高速无锁分配、空间浪费）之间寻找一个平衡。在判断是否可以丢弃当前TLAB剩余空间的时候，当发现剩余空间小于TLAB的一定比例时，就认为浪费比较少了，可以直接丢弃（参数为TLABRefillWasteFraction，默认值为64，即剩余空间小于等于TLAB的1/64时可以丢弃）。
最后简单解释一下JVM中堆可解性的概念。在JVM运行过程中存在很多需要对堆空间进行遍历的情况，遍历时会从一个起始地址（假设起始地址为heap_start）遍历到终止地址（假设终止地址为heap_end）之间的内存空间。假设在遍历堆空间时进行一些额外的处理，其具体的工作由do_object处理（具体的处理省略）。一个典型的代码如下所示：
HeapWord* cur = heap_start;
while (cur < heap_end) { //遍历整个空间
object o = (object)cur;
do_object(o);
cur = cur + o->size(); //在这里需要空间里面的对象连续
//如果存在空洞，将在此处导致遍历错误
}
在遍历的时候要求堆空间中的对象是连续分配的，如果堆空间中存在空洞（hole），那么上述代码就不能正常工作（空洞会被转化为对象，导致内存访问错误）。所以在处理TLAB剩余空间的时候必须填充一个对象让上述代码能正常运行，这种机制称为堆可解析性（通常填充一个int[]的对象，这个对象是JVM内部产生的，读者可能遇到应用中根本没有分配int[]对象，但是在转存（dump）堆内存时看到很多int[]对象的情况，原因之一就是JVM在处理TLAB时填充了大量死亡的int[]对象）。
本文给大家讲解的内容是JVM垃圾回收器详解：串行回收，新生代内存管理内存分配
- 下篇文章给大家讲解的内容是JVM垃圾回收器详解：串行回收，新生代内存管理，垃圾回收的触发机制
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