Java虛擬機(jī)的Heap監(jiān)獄
在Java虛擬機(jī)中，我是一個(gè)位高權(quán)重的大管家，他們都很怕我，尤其是那些Java 對(duì)象，我把他們?nèi)Φ揭粋€(gè)叫做Heap的“監(jiān)獄”里，嚴(yán)格管理，生殺大權(quán)盡在掌握。
中國(guó)人把Stack翻譯成“棧”，把Heap翻譯成“堆”， 還有人會(huì)把Stack翻譯成“堆棧”，唉，真不知道他們是怎么想的， 不過這么多年都過來了，你們明白就好。
碰巧我會(huì)對(duì)Heap中的Java 對(duì)象做垃圾回收，這個(gè)“堆”總是讓我聯(lián)想到垃圾堆。
說起垃圾回收，這實(shí)在是一個(gè)大負(fù)擔(dān)，原因很簡(jiǎn)單，那些寫Java程序的人類只管把對(duì)象給new出來，扔到Heap 中， 但是從來不管把他delete 掉， 刪掉這些對(duì)象的責(zé)任就落到了我的頭上，我不嚴(yán)格管理怎么行？
有時(shí)候我挺羨慕C和C++， 必須得手動(dòng)地分配和釋放內(nèi)存，出了錯(cuò)都是程序員來背鍋。
在我這里，如果任由這些對(duì)象對(duì)象肆意妄為，我那容量不高的，Java虛擬機(jī)啟動(dòng)后就無法更改的Heap“監(jiān)獄”很快就會(huì)被填滿， 所以我必須得派出我的得力助手，專門找到并且清理那些不用的Java 對(duì)象， 把他們占據(jù)的空間給釋放掉。
為了找到這些搗亂分子，我發(fā)明了一個(gè)叫做“可達(dá)性分析”的算法，這個(gè)算法估計(jì)大部分人已經(jīng)知道了，我就不再啰嗦了，下面這張圖說明了背后的思想，聰明的你一眼就能看出來， 橙色的對(duì)象都是不可達(dá)對(duì)象，可以回收。
我抗議了很多次，讓他修改， 他說微信公眾號(hào)只能改五個(gè)字，改不了，唉，真是沒轍。
Heap監(jiān)獄
好吧，現(xiàn)在詳細(xì)說一下我管理的Heap“監(jiān)獄”。
你可以把它想象成一大片空間，為了方便管理， 我把Heap“監(jiān)獄”劃分成多個(gè)區(qū)域，然后把那些Java對(duì)象在其中搬來搬去。
我定的規(guī)矩就是： 新來的家伙們都要進(jìn)入新生代待著，新生代住不下了，我就派出清理者進(jìn)行垃圾回收（Minor GC），回收以后還住不下，那就把年齡大的老家伙們趕到養(yǎng)老院（老年代）去。
每個(gè)在Heap中的Java對(duì)象我都會(huì)設(shè)置一個(gè)年齡計(jì)數(shù)器，每次Java對(duì)象熬過一次GC，就把年齡加1， 如果老到一定程度，對(duì)不起，請(qǐng)進(jìn)入養(yǎng)老院（老年代）。 實(shí)際上我還會(huì)做動(dòng)態(tài)的年齡判斷，這里按下不表。
你可能會(huì)覺得奇怪，為什么在新生代里分出了Eden, Survivor1, Survivor2這樣奇怪的區(qū)域？
那是因?yàn)槲蚁朐谶@里實(shí)現(xiàn)一個(gè)所謂的“復(fù)制”算法。
最早的時(shí)候， 我是把一個(gè)內(nèi)存的區(qū)域劃分成大小相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)區(qū)域，每次只用其中的一個(gè)。
區(qū)域1用完了，我就做垃圾回收，把存活的都搬到另外一個(gè)區(qū)域。
注意：搬過去以后，他們都會(huì)緊緊地挨在一起居住，這樣以來，被清理掉的那些紅色碎片就會(huì)重新平整成一大塊空間，方便后續(xù)使用，尤其是針對(duì)大塊頭對(duì)象來了以后。
這么來回顛倒著使用兩個(gè)區(qū)域，雖然效率高，沒有碎片，但是浪費(fèi)的空間很巨大：每次只能用一半。
后來人類發(fā)現(xiàn)，大部分在新生代的對(duì)象都活不了多長(zhǎng)時(shí)間，基本上一次垃圾回收就刪除得差不多了。
所以就改進(jìn)了這個(gè)只用一半的復(fù)制算法， 把新生代分成三個(gè)部分：Eden , Survivor1, Survivor2 , 他們的比例是8:1:1。
每次只使用Eden 和其中一個(gè)Survivor , 當(dāng)垃圾回收時(shí)，把這兩塊區(qū)域中還活著的對(duì)象復(fù)制到另外一個(gè)Survivor， 如果Survivor放不下，請(qǐng)進(jìn)養(yǎng)老院（老年代）吧。
如果很不幸， 連養(yǎng)老院都住滿了，那只好搞一次Full GC了，這是個(gè)很慢的操作，你們***祈禱它不要頻繁發(fā)生。
“監(jiān)獄”之外，大有可為
雖然我可以在Heap監(jiān)獄內(nèi)作威作福，有時(shí)候我也得接觸下監(jiān)獄之外的世界。
有一次要通過Socket向外發(fā)送數(shù)據(jù)，我明明把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，就在我的Heap中，可是JVM老大竟然把數(shù)據(jù)復(fù)制了一份到Heap之外的內(nèi)存中去，然后才能通過Socket發(fā)送。
我問他這到底是怎么回事，為什么要多此一舉，難道是對(duì)我這個(gè)Heap監(jiān)獄的大管家不放心？
JVM老大說確實(shí)是不放心，人家底層的Socket都是C語言寫的， 關(guān)注的是物理內(nèi)存的地址， 你垃圾回收的時(shí)候把Java對(duì)象在什么Eden, Survivor, 老年代之間挪來挪去，對(duì)象的地址也會(huì)變來變?nèi)ィ?我怎么告訴人家到底發(fā)哪個(gè)地址的數(shù)據(jù)??？
想想也是這個(gè)理兒，有得必有失，你程序員不用管理內(nèi)存，但是底層還得和內(nèi)存打交道，并且還額外多了一道工序：Copy 。
老大還說：“可能你還不知道，除了你的Heap監(jiān)獄，其實(shí)我在Java進(jìn)程中還有一塊兒叫做“Off-Heap內(nèi)存’的地方，數(shù)據(jù)就會(huì)復(fù)制到這里。 為了和你區(qū)分開，我把它叫做堆外內(nèi)存。”
沒想到這里還有一塊我都管不著的“飛地”！
不過它和我也沒有什么競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，由它去吧。
可是沒過幾天，JVM老大再次給我?guī)砹?ldquo;驚喜”。
他說：“復(fù)制數(shù)據(jù)太麻煩了，我想了個(gè)辦法，可以在Java代碼中直接分配一塊屬于Off-Heap的內(nèi)存。”
我覺得頭皮發(fā)蒙：“直接在堆外內(nèi)存分配？到底怎么分配？”
老大給了我一段代碼：“看看，這不就分配了128M的堆外存嗎？ 對(duì)這個(gè)buffer的讀寫操作會(huì)直接寫入堆外內(nèi)存， 不用再經(jīng)過你來復(fù)制了。”
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);
該死的面向接口編程，這個(gè)ByteBuffer分配出來的堆外內(nèi)存，就像一個(gè)普通的Java對(duì)象在使用，絲毫看不出它在堆內(nèi)還是在堆外。
完了，這塊內(nèi)存我是徹底管不了了。
老大看出我情緒不對(duì)，安慰道： “這個(gè)buffer也是個(gè)Java對(duì)象啊， 就在你的Heap中存著，只不過它保存了那128M內(nèi)存的信息而已。”
這還差不多 ！ 既然它是個(gè)Java對(duì)象，那就得放到我的Heap監(jiān)獄中，被我控制！
可以想象，這個(gè)對(duì)象被垃圾回收的時(shí)候， 它指向的直接內(nèi)存才會(huì)被釋放。
我突然有了一個(gè)邪惡的想法：如果這樣的對(duì)象越來越多，并且一直不被垃圾回收，那對(duì)應(yīng)的直接內(nèi)存豈不也是不能釋放，然后Out of Memory ?
老大似乎看穿了我的思想：“對(duì)于這些對(duì)象，得特別小心，一定得確保能釋放。”
直接分配堆外內(nèi)存的功能正式推出了，我發(fā)現(xiàn)分配起堆外內(nèi)存要比堆內(nèi)內(nèi)存要慢一點(diǎn)，心想估計(jì)沒有多少人使用吧。 可沒想到的是它特別適合那些分配次數(shù)少，讀寫操作很頻繁的場(chǎng)景。于是就受到了Netty這些通信類系統(tǒng)的熱烈歡迎。
為了減少創(chuàng)建堆外內(nèi)存的開銷，Netty 還引入了對(duì)象池的技術(shù)，就像數(shù)據(jù)庫(kù)連接池一樣，先分配一些堆外內(nèi)存， 然后不斷地復(fù)用他們。
我沒想到堆外內(nèi)存能玩出這么多的花樣，但是一想到他們還是Java程序，還得用Java對(duì)象包裝，無論如何都跳不出我的手掌去，也就釋然了。
【本文為51CTO專欄作者“劉欣”的原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)通過作者微信公眾號(hào)coderising獲取授權(quán)】
