Java虛擬機的Heap監獄
在Java虛擬機中，我是一個位高權重的大管家，他們都很怕我，尤其是那些Java 對象，我把他們圈到一個叫做Heap的“監獄”里，嚴格管理，生殺大權盡在掌握。
中國人把Stack翻譯成“棧”，把Heap翻譯成“堆”， 還有人會把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。
碰巧我會對Heap中的Java 對象做垃圾回收，這個“堆”總是讓我聯想到垃圾堆。
說起垃圾回收，這實在是一個大負擔，原因很簡單，那些寫Java程序的人類只管把對象給new出來，扔到Heap 中， 但是從來不管把他delete 掉， 刪掉這些對象的責任就落到了我的頭上，我不嚴格管理怎么行？
有時候我挺羨慕C和C++， 必須得手動地分配和釋放內存，出了錯都是程序員來背鍋。
在我這里，如果任由這些對象對象肆意妄為，我那容量不高的，Java虛擬機啟動后就無法更改的Heap“監獄”很快就會被填滿， 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 對象， 把他們占據的空間給釋放掉。
為了找到這些搗亂分子，我發明了一個叫做“可達性分析”的算法，這個算法估計大部分人已經知道了，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， 橙色的對象都是不可達對象，可以回收。
我抗議了很多次，讓他修改， 他說微信公眾號只能改五個字，改不了，唉，真是沒轍。
Heap監獄
好吧，現在詳細說一下我管理的Heap“監獄”。
你可以把它想象成一大片空間，為了方便管理， 我把Heap“監獄”劃分成多個區域，然后把那些Java對象在其中搬來搬去。
我定的規矩就是： 新來的家伙們都要進入新生代待著，新生代住不下了，我就派出清理者進行垃圾回收（Minor GC），回收以后還住不下，那就把年齡大的老家伙們趕到養老院（老年代）去。
每個在Heap中的Java對象我都會設置一個年齡計數器，每次Java對象熬過一次GC，就把年齡加1， 如果老到一定程度，對不起，請進入養老院（老年代）。 實際上我還會做動態的年齡判斷，這里按下不表。
你可能會覺得奇怪，為什么在新生代里分出了Eden, Survivor1, Survivor2這樣奇怪的區域？
那是因為我想在這里實現一個所謂的“復制”算法。
最早的時候， 我是把一個內存的區域劃分成大小相當的兩個區域，每次只用其中的一個。
區域1用完了，我就做垃圾回收，把存活的都搬到另外一個區域。
注意：搬過去以后，他們都會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重新平整成一大塊空間，方便后續使用，尤其是針對大塊頭對象來了以后。
這么來回顛倒著使用兩個區域，雖然效率高，沒有碎片，但是浪費的空間很巨大：每次只能用一半。
后來人類發現，大部分在新生代的對象都活不了多長時間，基本上一次垃圾回收就刪除得差不多了。
所以就改進了這個只用一半的復制算法， 把新生代分成三個部分：Eden , Survivor1, Survivor2 , 他們的比例是8:1:1。
每次只使用Eden 和其中一個Survivor , 當垃圾回收時，把這兩塊區域中還活著的對象復制到另外一個Survivor， 如果Survivor放不下，請進養老院（老年代）吧。
如果很不幸， 連養老院都住滿了，那只好搞一次Full GC了，這是個很慢的操作，你們***祈禱它不要頻繁發生。
“監獄”之外，大有可為
雖然我可以在Heap監獄內作威作福，有時候我也得接觸下監獄之外的世界。
有一次要通過Socket向外發送數據，我明明把數據準備好了，就在我的Heap中，可是JVM老大竟然把數據復制了一份到Heap之外的內存中去，然后才能通過Socket發送。
我問他這到底是怎么回事，為什么要多此一舉，難道是對我這個Heap監獄的大管家不放心？
JVM老大說確實是不放心，人家底層的Socket都是C語言寫的， 關注的是物理內存的地址， 你垃圾回收的時候把Java對象在什么Eden, Survivor, 老年代之間挪來挪去，對象的地址也會變來變去， 我怎么告訴人家到底發哪個地址的數據啊？
想想也是這個理兒，有得必有失，你程序員不用管理內存，但是底層還得和內存打交道，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監獄，其實我在Java進程中還有一塊兒叫做“Off-Heap內存’的地方，數據就會復制到這里。 為了和你區分開，我把它叫做堆外內存。”
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爭關系，由它去吧。
可是沒過幾天，JVM老大再次給我帶來了“驚喜”。
他說：“復制數據太麻煩了，我想了個辦法，可以在Java代碼中直接分配一塊屬于Off-Heap的內存。”
我覺得頭皮發蒙：“直接在堆外內存分配？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？ 對這個buffer的讀寫操作會直接寫入堆外內存， 不用再經過你來復制了。”
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);
該死的面向接口編程，這個ByteBuffer分配出來的堆外內存，就像一個普通的Java對象在使用，絲毫看不出它在堆內還是在堆外。
完了，這塊內存我是徹底管不了了。
老大看出我情緒不對，安慰道： “這個buffer也是個Java對象啊， 就在你的Heap中存著，只不過它保存了那128M內存的信息而已。”
這還差不多 ！ 既然它是個Java對象，那就得放到我的Heap監獄中，被我控制！
可以想象，這個對象被垃圾回收的時候， 它指向的直接內存才會被釋放。
我突然有了一個邪惡的想法：如果這樣的對象越來越多，并且一直不被垃圾回收，那對應的直接內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：“對于這些對象，得特別小心，一定得確保能釋放。”
直接分配堆外內存的功能正式推出了，我發現分配起堆外內存要比堆內內存要慢一點，心想估計沒有多少人使用吧。 可沒想到的是它特別適合那些分配次數少，讀寫操作很頻繁的場景。于是就受到了Netty這些通信類系統的熱烈歡迎。
為了減少創建堆外內存的開銷，Netty 還引入了對象池的技術，就像數據庫連接池一樣，先分配一些堆外內存， 然后不斷地復用他們。
我沒想到堆外內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”的原創稿件，轉載請通過作者微信公眾號coderising獲取授權】
