java 程序分析内存泄漏 java内存泄露分析

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网络安全专家 2024-07-08 22:23:22

文章标签 java 程序分析内存泄漏 java GC jvm 内存泄漏 文章分类 Java 后端开发

0. 背景

本文章会一步一步的探讨内存泄露的问题。

JAVA是垃圾回收语言的一种，开发者无需特意管理内存分配。但是JAVA中还是存在着许多内存泄露的可能性，如果不好好处理内存泄露，会导致APP内存单元无法释放被浪费掉，最终导致内存全部占据堆栈(heap)挤爆进而程序崩溃。

1. 内存泄露 or 内存溢出？

说到内存泄露，就不得不提到内存溢出，这两个比较容易混淆的概念，我们来分析一下。

内存泄露：程序在向系统申请分配内存空间后(new)，在使用完毕后未释放。结果导致一直占据该内存单元，我们和程序都无法再使用该内存单元，直到程序结束，这是内存泄露。
内存溢出：程序向系统申请的内存空间超出了系统能给的。比如内存只能分配一个int类型，我却要塞给他一个long类型，系统就出现oom。又比如一车最多能坐5个人，你却非要塞下10个，车就挤爆了。

大量的内存泄露会导致内存溢出(oom)。

2. 内存

想要了解内存泄露，对内存的了解必不可少。
JAVA是在JVM所虚拟出的内存环境中运行的，JVM的内存可分为三个区：堆(heap)、栈(stack)和方法区(method)。

栈(stack)：是简单的数据结构，但在计算机中使用广泛。栈最显著的特征是：LIFO(Last In, First Out, 后进先出)。比如我们往箱子里面放衣服，先放入的在最下方，只有拿出后来放入的才能拿到下方的衣服。栈中只存放基本类型和对象的引用(不是对象)。
堆(heap)：堆内存用于存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。JVM只有一个堆区(heap)被所有线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象本身。
方法区(method)：又叫静态区，跟堆一样，被所有的线程共享。方法区包含所有的class和static变量。

内存的概念大概理解清楚后，要考虑的问题来了：
到底是哪里的内存会让我们造成内存泄露？

3. 内存泄露原因分析

在JAVA中JVM的栈记录了方法的调用，每个线程拥有一个栈。在线程的运行过程当中，执行到一个新的方法调用，就在栈中增加一个内存单元，即帧(frame)。在frame中，保存有该方法调用的参数、局部变量和返回地址。然而JAVA中的局部变量只能是基本类型变量(int)，或者对象的引用。所以在栈中只存放基本类型变量和对象的引用。引用的对象保存在堆中。

当某方法运行结束时，该方法对应的frame将会从栈中删除，frame中所有局部变量和参数所占有的空间也随之释放。线程回到原方法继续执行，当所有的栈都清空的时候，程序也就随之运行结束。

而对于堆内存，堆存放着普通变量。在JAVA中堆内存不会随着方法的结束而清空，所以在方法中定义了局部变量，在方法结束后变量依然存活在堆中。

综上所述，栈(stack)可以自行清除不用的内存空间。但是如果我们不停的创建新对象，堆(heap)的内存空间就会被消耗尽。所以JAVA引入了垃圾回收(garbage collection，简称GC)去处理堆内存的回收，但如果对象一直被引用无法被回收，造成内存的浪费，无法再被使用。所以对象无法被GC回收就是造成内存泄露的原因！

4. 垃圾回收机制

垃圾回收(garbage collection，简称GC)可以自动清空堆中不再使用的对象。在JAVA中对象是通过引用使用的。如果再没有引用指向该对象，那么该对象就无从处理或调用该对象，这样的对象称为不可到达（unreachable）。垃圾回收用于释放不可到达的对象所占据的内存。

实现思想：我们将栈定义为root，遍历栈中所有的对象的引用，再遍历一遍堆中的对象。因为栈中的对象的引用执行完毕就删除，所以我们就可以通过栈中的对象的引用，查找到堆中没有被指向的对象，这些对象即为不可到达对象，对其进行垃圾回收。

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垃圾回收实现思想

如果持有对象的强引用，垃圾回收器是无法在内存中回收这个对象。

5. 引用类型

在JDK 1.2以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于可触及(reachable)状态，程序才能使用它。从JDK 1.2版本开始，把对象的引用分为4种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这4种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

1. 强引用(Strong reference)
实际编码中最常见的一种引用类型。

常见形式如：

A a = new A();

强引用本身存储在栈内存中，其存储指向对内存中对象的地址。一般情况下，当对内存中的对象不再有任何强引用指向它时，垃圾回收机器开始考虑可能要对此内存进行的垃圾回收。

如当进行编码：a = null，此时，刚刚在堆中分配地址并新建的a对象没有其他的任何引用，当系统进行垃圾回收时，堆内存将被垃圾回收。

2. 软引用(Soft Reference)
软引用的一般使用形式如下：

A a = new A();
SoftReference srA = new SoftReference(a);

软引用所指示的对象进行垃圾回收需要满足如下两个条件：

当其指示的对象没有任何强引用对象指向它；
当虚拟机内存不足时。

因此，SoftReference变相的延长了其指示对象占据堆内存的时间，直到虚拟机内存不足时垃圾回收器才回收此堆内存空间。

3. 弱引用(Weak Reference)
同样的，软引用的一般使用形式如下：

A a = new A();
WeakReference wrA = new WeakReference(a);

WeakReference不改变原有强引用对象的垃圾回收时机，一旦其指示对象没有任何强引用对象时，此对象即进入正常的垃圾回收流程。

4. 虚引用(Phantom Reference)
与SoftReference或WeakReference相比，PhantomReference主要差别体现在如下几点：
1.PhantomReference只有一个构造函数

PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q)

2.不管有无强引用指向PhantomReference的指示对象，PhantomReference的get()方法返回结果都是null。

因此，PhantomReference使用必须结合ReferenceQueue；
与WeakReference相同，PhantomReference并不会改变其指示对象的垃圾回收时机。

6. 内存泄露原因

如果持有对象的强引用，垃圾回收器是无法在内存中回收这个对象。

内存泄露的真因是：持有对象的强引用，且没有及时释放，进而造成内存单元一直被占用，浪费空间，甚至可能造成内存溢出！

6.1 一般Java程序中内存泄漏场景

静态集合类引起内存泄露：
像HashMap、Vector等的使用最容易出现内存泄露，这些静态变量的生命周期和应用程序一致，他们所引用的所有的对象Object也不能被释放，因为他们也将一直被Vector等引用着。

Static Vector v = new Vector(10);
for (int i = 1; i<100; i++)
{
Object o = new Object();
v.add(o);
o = null;
}

在这个例子中，循环申请Object 对象，并将所申请的对象放入一个Vector 中，如果仅仅释放引用本身（o=null），那么Vector 仍然引用该对象，所以这个对象对GC 来说是不可回收的。因此，如果对象加入到Vector 后，还必须从Vector 中删除，最简单的方法就是将Vector对象设置为null。

集合中对象被修改后remove:
当集合里面的对象属性被修改后，再调用remove()方法时不起作用

public static void main(String[] args)
{
Set<Person> set = new HashSet<Person>();
Person p1 = new Person("唐僧","pwd1",25);
Person p2 = new Person("孙悟空","pwd2",26);
Person p3 = new Person("猪八戒","pwd3",27);
set.add(p1);
set.add(p2);
set.add(p3);
System.out.println("总共有:"+set.size()+" 个元素!"); //结果：总共有:3 个元素!
p3.setAge(2); //修改p3的年龄,此时p3元素对应的hashcode值发生改变

set.remove(p3); //此时remove不掉，造成内存泄漏

set.add(p3); //重新添加，居然添加成功
System.out.println("总共有:"+set.size()+" 个元素!"); //结果：总共有:4 个元素!
for (Person person : set)
{
System.out.println(person);
}
}

监听器:
在java 编程中，我们都需要和监听器打交道，通常一个应用当中会用到很多监听器，我们会调用一个控件的诸如addXXXListener()等方法来增加监听器，但往往在释放对象的时候却没有记住去删除这些监听器，从而增加了内存泄漏的机会。
各种连接:
比如数据库连接（dataSourse.getConnection()），网络连接(socket)和io连接，除非其显式的调用了其close()方法将其连接关闭，否则是不会自动被GC 回收的。对于Resultset 和Statement 对象可以不进行显式回收，但Connection 一定要显式回收，因为Connection 在任何时候都无法自动回收，而Connection一旦回收，Resultset 和Statement 对象就会立即为NULL。但是如果使用连接池，情况就不一样了，除了要显式地关闭连接，还必须显式地关闭Resultset Statement 对象（关闭其中一个，另外一个也会关闭），否则就会造成大量的Statement 对象无法释放，从而引起内存泄漏。这种情况下一般都会在try里面去的连接，在finally里面释放连接。
单例模式:
如果单例对象持有外部对象的引用，那么这个外部对象将不能被jvm正常回收，导致内存泄露。
不正确使用单例模式是引起内存泄露的一个常见问题，单例对象在被初始化后将在JVM的整个生命周期中存在（以静态变量的方式），如果单例对象持有外部对象的引用，那么这个外部对象将不能被jvm正常回收，导致内存泄露，考虑下面的例子：

class A{
public A(){
B.getInstance().setA(this);
}
....
}
//B类采用单例模式
class B{
private A a;
private static B instance=new B();
public B(){}
public static B getInstance(){
return instance;
}
public void setA(A a){
this.a=a;
}
//getter...
}

显然B采用singleton模式，它持有一个A对象的引用，而这个A类的对象将不能被回收。想象下如果A是个比较复杂的对象或者集合类型会发生什么情况