Java虚拟机的Heap监狱

来自：码农翻身（微信号：coderising）

在Java虚拟机中，我是一个位高权重的大管家，他们都很怕我，尤其是那些Java 对象，我把他们圈到一个叫做Heap的“监狱”里，严格管理，生杀大权尽在掌握。

中国人把Stack翻译成“栈”，把Heap翻译成“堆”， 还有人会把Stack翻译成“堆栈”，唉，真不知道他们是怎么想的， 不过这么多年都过来了，你们明白就好。

碰巧我会对Heap中的Java 对象做垃圾回收，这个“堆”总是让我联想到垃圾堆。

说起垃圾回收，这实在是一个大负担，原因很简单，那些写Java程序的人类只管把对象给new出来，扔到Heap 中， 但是从来不管把他delete 掉， 删掉这些对象的责任就落到了我的头上，我不严格管理怎么行？

有时候我挺羡慕C和C++， 必须得手动地分配和释放内存，出了错都是程序员来背锅。

在我这里，如果任由这些对象对象肆意妄为，我那容量不高的，Java虚拟机启动后就无法更改的Heap“监狱”很快就会被填满， 所以我必须得派出我的得力助手，专门找到并且清理那些不用的Java 对象， 把他们占据的空间给释放掉。

为了找到这些捣乱分子，我发明了一个叫做“可达性分析”的算法，这个算法估计大部分人已经知道了，我就不再啰嗦了，下面这张图说明了背后的思想，聪明的你一眼就能看出来， 橙色的对象都是不可达对象，可以回收。

有个叫刘欣的家伙写了一篇文章《我是一个Java Class》 ，发表在码农翻身公众号上，文章说我还在用引用计数这种办法，实在是可笑。 我抗议了很多次，让他修改， 他说微信公众号只能改五个字，改不了，唉，真是没辙。

Heap监狱

好吧，现在详细说一下我管理的Heap“监狱”。

你可以把它想象成一大片空间，为了方便管理， 我把Heap“监狱”划分成多个区域，然后把那些Java对象在其中搬来搬去。

我定的规矩就是： 新来的家伙们都要进入新生代待着，新生代住不下了，我就派出清理者进行垃圾回收（Minor GC），回收以后还住不下，那就把年龄大的老家伙们赶到养老院（老年代）去。

每个在Heap中的Java对象我都会设置一个年龄计数器，每次Java对象熬过一次GC，就把年龄加1， 如果老到一定程度，对不起，请进入养老院（老年代）。  实际上我还会做动态的年龄判断，这里按下不表。

你可能会觉得奇怪，为什么在新生代里分出了Eden, Survivor1, Survivor2这样奇怪的区域？

那是因为我想在这里实现一个所谓的“复制”算法。

最早的时候， 我是把一个内存的区域划分成大小相当的两个区域，每次只用其中的一个。

区域1用完了，我就做垃圾回收，把存活的都搬到另外一个区域。

注意：搬过去以后，他们都会紧紧地挨在一起居住，这样以来，被清理掉的那些红色碎片就会重新平整成一大块空间，方便后续使用，尤其是针对大块头对象来了以后。

这么来回颠倒着使用两个区域，虽然效率高，没有碎片，但是浪费的空间很巨大：每次只能用一半。

后来人类发现，大部分在新生代的对象都活不了多长时间，基本上一次垃圾回收就删除得差不多了。

所以就改进了这个只用一半的复制算法， 把新生代分成三个部分：Eden , Survivor1, Survivor2 , 他们的比例是8:1:1。

每次只使用Eden 和其中一个Survivor , 当垃圾回收时，把这两块区域中还活着的对象复制到另外一个Survivor， 如果Survivor放不下，请进养老院（老年代）吧。

如果很不幸， 连养老院都住满了，那只好搞一次Full GC了，这是个很慢的操作，你们最好祈祷它不要频繁发生。

“监狱”之外，大有可为

虽然我可以在Heap监狱内作威作福，有时候我也得接触下监狱之外的世界。

有一次要通过Socket向外发送数据，我明明把数据准备好了，就在我的Heap中，可是JVM老大竟然把数据复制了一份到Heap之外的内存中去，然后才能通过Socket发送。

我问他这到底是怎么回事，为什么要多此一举，难道是对我这个Heap监狱的大管家不放心？

JVM老大说确实是不放心，人家底层的Socket都是C语言写的， 关注的是物理内存的地址， 你垃圾回收的时候把Java对象在什么Eden, Survivor, 老年代之间挪来挪去，对象的地址也会变来变去， 我怎么告诉人家到底发哪个地址的数据啊？

想想也是这个理儿，有得必有失，你程序员不用管理内存，但是底层还得和内存打交道，并且还额外多了一道工序：Copy 。

老大还说：“可能你还不知道，除了你的Heap监狱，其实我在Java进程中还有一块儿叫做“Off-Heap内存’的地方，数据就会复制到这里。 为了和你区分开，我把它叫做堆外内存。”

没想到这里还有一块我都管不着的“飞地”！

不过它和我也没有什么竞争关系，由它去吧。

可是没过几天，JVM老大再次给我带来了“惊喜”。

他说：“复制数据太麻烦了，我想了个办法，可以在Java代码中直接分配一块属于Off-Heap的内存。”

我觉得头皮发蒙：“直接在堆外内存分配？到底怎么分配？”

老大给了我一段代码：“看看，这不就分配了128M的堆外存吗？ 对这个buffer的读写操作会直接写入堆外内存， 不用再经过你来复制了。”

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);

该死的面向接口编程，这个ByteBuffer分配出来的堆外内存，就像一个普通的Java对象在使用，丝毫看不出它在堆内还是在堆外。

完了，这块内存我是彻底管不了了。

老大看出我情绪不对，安慰道： “这个buffer也是个Java对象啊， 就在你的Heap中存着，只不过它保存了那128M内存的信息而已。”

这还差不多 ！ 既然它是个Java对象，那就得放到我的Heap监狱中，被我控制！

可以想象，这个对象被垃圾回收的时候， 它指向的直接内存才会被释放。

我突然有了一个邪恶的想法：如果这样的对象越来越多，并且一直不被垃圾回收，那对应的直接内存岂不也是不能释放，然后Out of Memory ?

老大似乎看穿了我的思想：“对于这些对象，得特别小心，一定得确保能释放。”

直接分配堆外内存的功能正式推出了，我发现分配起堆外内存要比堆内内存要慢一点，心想估计没有多少人使用吧。 可没想到的是它特别适合那些分配次数少，读写操作很频繁的场景。于是就受到了Netty这些通信类系统的热烈欢迎。

为了减少创建堆外内存的开销，Netty 还引入了对象池的技术，就像数据库连接池一样，先分配一些堆外内存， 然后不断地复用他们。

我没想到堆外内存能玩出这么多的花样，但是一想到他们还是Java程序，还得用Java对象包装，无论如何都跳不出我的手掌去，也就释然了。

（完）

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