面试题：Java堆内存对象分配与线程安全性探讨

Question

Java的堆内存用于存储对象实例。在高并发场景下，多个线程同时向堆内存分配对象，可能会引发哪些线程安全问题？目前JVM有哪些机制来保障堆内存分配的线程安全性，这些机制的原理是什么？

Answer 1

线程安全问题

1. 内存竞争：多个线程同时请求分配堆内存时，可能会发生竞争，导致数据不一致。例如，线程A和线程B同时尝试向同一内存地址写入对象引用，可能会覆盖对方的数据。
2. 对象初始化不一致：如果对象的初始化过程涉及多个步骤，多个线程并发分配对象时，可能出现部分初始化的对象被其他线程使用的情况，导致程序出现难以调试的错误。

JVM保障机制及原理

1. CAS（Compare - And - Swap）
   • 原理：CAS是一种乐观锁机制。它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当V的值等于A时，才会将V的值设为B。在堆内存分配中，使用CAS操作可以确保只有一个线程能成功分配到内存。例如，多个线程尝试分配内存块时，通过CAS操作比较内存块的状态（如是否已分配），只有比较成功的线程才能进行分配。
2. TLAB（Thread - Local Allocation Buffer）
   • 原理：为每个线程预先分配一块私有内存区域，称为TLAB。线程在分配对象时，首先尝试在自己的TLAB中分配。只有当TLAB用尽时，才会从共享堆内存中分配。这样可以减少线程之间对堆内存分配的竞争，因为大部分对象分配操作在各自的TLAB内完成，只有在TLAB不足时才会涉及到共享堆内存的竞争，从而提高了并发性能。
3. 偏向锁、轻量级锁和重量级锁
   • 偏向锁：原理是假设在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头中记录该线程的ID，以后该线程再次进入和退出同步块时，不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word中是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。
   • 轻量级锁：当偏向锁失效（即有第二个线程访问同步块）时，会升级为轻量级锁。它的原理是在没有竞争的情况下，使用CAS操作在对象头的Mark Word中设置指向线程栈中锁记录的指针。如果成功，就表示该线程获取了锁；如果失败，表示存在竞争，锁就会膨胀为重量级锁。
   • 重量级锁：重量级锁是基于操作系统的互斥锁实现的。当轻量级锁竞争加剧，就会升级为重量级锁。线程获取重量级锁时，会进入阻塞状态，等待锁的释放。这种锁机制会导致线程上下文切换，开销较大，但能保证在高竞争情况下的线程安全。