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全面分析Java内存泄露

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问题的提出

Java的一个重要优点就是通过垃圾收集器(Garbage CollectionGC)自动管理内存的回收,程序员不需要通过调用函数来释放内存。因此,很多程序员认为Java不存在内存泄漏问题,或者认为即使有内存泄漏也不是程序的责任,而是GCJVM的问题。其实,这种想法是不正确的,因为Java也存在内存泄露,但它的表现与C++不同。

随着越来越多的服务器程序采用Java技术,例如JSPServlet EJB等,服务器程序往往长期运行。另外,在很多嵌入式系统中,内存的总量非常有限。内存泄露问题也就变得十分关键,即使每次运行少量泄漏,长期运行之后,系统也是面临崩溃的危险。

Java是如何管理内存

为了判断Java中是否有内存泄露,我们首先必须了解Java是如何管理内存的。Java的内存管理就是对象的分配和释放问题。分配内存的方式多种多样,取决于该种语言的语法结构。但不论是哪一种语言的内存分配方式,最后都要返回所分配的内存块的起始地址,即返回一个指针到内存块的首地址。Java中,程序员需要通过关键字new为每个对象申请内存空间 (基本类型除外),所有的对象都在堆 (Heap)中分配空间。另外,对象的释放是由GC决定和执行的。在Java中,内存的分配是由程序完成的,而内存的释放是有GC完成的,这种收支两条线的方法确实简化了程序员的工作。但同时,它也加重了JVM的工作。这也是Java程序运行速度较慢的原因之一。

 

因为,GC为了能够正确释放对象,GC必须监控每一个对象的运行状态,包括对象的申请、引用、被引用、赋值等,GC都需要进行监控。

 

Java使用有向图的方式进行内存管理,可以消除引用循环的问题,例如有三个对象,相互引用,只要它们和根进程不可达的,那么GC也是可以回收它们的。这种方式的优点是管理内存的精度很高,但是效率较低。另外一种常用的内存管理技术是使用计数器,例如COM模型采用计数器方式管理构件,它与有向图相比,精度行低(很难处理循环引用的问题),但执行效率很高

 

Java 中,所有对象都驻留在堆内存,因此局部对象就不存在。当你创建一个对象时,Java 虚拟机JVM)为该对象分配内存、调用构造器并开始跟踪你使用的对象。当你停止使用一个对象(就是说,当没有对该对象有效的引用时),JVM 通过垃圾回收器将该对象标记为释放状态。当垃圾回收器要释放一个对象的内存时,它首先调用该对象的finalize() 方法(如果该对象定义了此方法的话)。垃圾回收器以独立的低优先级的方式运行,所以只有当其他线程都挂起等待内存释放的情况出现时,它才开始释放对象的内存。

java垃圾收集器

1.垃圾收集器的工作目标是回收已经无用的对象的内存空间,从而避免内存渗漏体的产生,节省内存资源,避免程序代码的崩溃。

 

2.垃圾收集器判断一个对象的内存空间是否无用的标准是:如果该对象不能再被程序中任何一个"活动的部分"所引用,此时我们就说,该对象的内存空间已经无用。所谓"活动的部分",是指程序中某部分参与程序的调用,正在执行过程中,尚未执行完毕。

 

3.垃圾收集器线程是一种低优先级的线程,在一个Java程序的生命周期中,它只有在内存空闲的时候才有机会运行。虽然是作为低优先级的线程运行,但在系统可用内存量过低的时候,它可能会突发地执行来挽救内存资源。当然其执行与否也是不可预知的。

 

4.垃圾收集器在一个Java程序中的执行是自动的,不能强制执行,即使程序员能明确地判断出有一块内存已经无用了,是应该回收的,程序员也不能强制垃圾收集器回收该内存块。程序员唯一能做的就是通过调用System. gc 方法来"建议"执行垃圾收集器,但其是否可以执行,什么时候执行却都是不可知的。这也是垃圾收集器的最主要的缺点。当然相对于它给程序员带来的巨大方便性而言,这个缺点是瑕不掩瑜的。

 

5.同样没有办法预知在一组均符合垃圾收集器收集标准的对象中,哪一个会被首先收集。

 

6.可以通过将对象的引用变量初始化为null值,来暗示垃圾收集器来收集该对象但此时,如果该对象连接有事件监听器(典型的 AWT组件),那它还是不可以被收集。所以在设一个引用变量为null值之前,应注意该引用变量指向的对象是否被监听,若有,要首先除去监听器,然后才可以赋空值。

 

7.每一个对象都有一个finalize( )方法,这个方法是从Object类继承来的。

 

8.每个对象只能调用finalize( )方法一次。如果在finalize( )方法执行时产生异常,则该对象仍可以被垃圾收集器收集。

 

9.垃圾收集器跟踪每一个对象,收集那些不可到达的对象(即该对象没有被程序的任何"活的部分"所调用),回收其占有的内存空间。但在进行垃圾收集的时候,垃圾收集器会调用finalize( )方法,通过让其他对象知道它的存在,而使不可到达的对象再次"复苏"为可到达的对象。既然每个对象只能调用一次finalize( )方法,所以每个对象也只可能"复苏"一次。

 

10.当一个方法执行完毕,其中的局部变量会超出使用范围,此时可以被当作垃圾收集,但以后每当该方法再次被调用时,其中的局部变量便会被重新创建。

 

通过以上对垃圾收集器特点的了解,你应该可以明确垃圾收集器的作用,和垃圾收集器判断一块内存空间是否无用的标准。简单地说,当你为一个对象赋值为null并且重新定向了该对象的引用者,此时该对象就符合垃圾收集器的收集标准。

 

典型地,GC不会自动执行,直到程序需要的内存比当前可用内存多时才调用,此时,jvm将首先尝试激活GC以得到更多的可用内存,如果仍得不到充足的可用内存,jvm将转向从操作系统申请更多的内存,直到最终超过分配的最大内存而导致java.lang.OutOfMemoryError

 

什么是Java中的内存泄露

Java中,内存泄漏就是存在一些被分配的对象,这些对象有下面两个特点,首先,这些对象是可达的,即在有向图中,存在通路可以与其相连;其次,这些对象是无用的,即程序以后不会再使用这些对象。如果对象满足这两个条件,这些对象就可以判定为Java中的内存泄漏,这些对象不会被GC所回收,然而它却占用内存。

C++中,内存泄漏的范围更大一些。有些对象被分配了内存空间,然后却不可达,由于C++中没有GC,这些内存将永远收不回来。在Java中,这些不可达的对象都由GC负责回收,因此程序员不需要考虑这部分的内存泄露。

通过分析,我们得知,对于C++,程序员需要自己管理边和顶点,而对于Java程序员只需要管理边就可以了(不需要管理顶点的释放)。通过这种方式,Java提高了编程的效率。

因此,通过以上分析,我们知道在Java中也有内存泄漏,但范围比C++要小一些。因为Java从语言上保证,任何对象都是可达的,所有的不可达对象都由GC管理。

对于程序员来说,GC基本是透明的,不可见的。虽然,我们只有几个函数可以访问GC,例如运行GC的函数System.gc(),但是根据Java语言规范定义, 该函数不保证JVM的垃圾收集器一定会执行。因为,不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC。通常,GC的线程的优先级别较低。JVM调用GC的策略也有很多种,有的是内存使用到达一定程度时,GC才开始工作,也有定时执行的,有的是平缓执行GC,有的是中断式执行GC。但通常来说,我们不需要关心这些。除非在一些特定的场合,GC的执行影响应用程序的性能,例如对于基于Web的实时系统,如网络游戏等,用户不希望GC突然中断应用程序执行而进行垃圾回收,那么我们需要调整GC的参数,让GC能够通过平缓的方式释放内存,例如将垃圾回收分解为一系列的小步骤执行,Sun提供的HotSpot JVM就支持这一特性。

下面给出了一个简单的内存泄露的例子。在这个例子中,我们循环申请Object对象,并将所申请的对象放入一个Vector中,如果我们仅仅释放引用本身,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

Vector v=new Vector(10);

for (int I=1;I<100; I++)

{

Object o=new Object();

v.add(o);

o=null;

}

//此时,所有的Object对象都没有被释放,因为变量v引用这些对象。

实际上无用,而还被引用的对象,gc 就无能为力了(事实上gc认为它还有用),这一点是导致内存泄露最重要的原因。

java内存管理示例

1、程序员和GC对对象认识的差别

程序中的对象是否有用和java gc认为对象是否有用是有差别的:

1、  程序员编写代码通常是认为被创建的对象在其生命周期结束后无用

2、  gc认为只有对象的引用记数=0的时候,该对象才是无用的。

 

代码(程序员的观点)                          gc(java)

Public void fun1(){

……

//创建局部变量E

Object E = new E();                             E.count ++

A.a = E;                                                E.count ++

B.b = E;                                                E.count ++

C.c = E;                                                E.count ++

D.d = E;                                                E.count ++

 

//我们认为

//E没用了,释放E

E = null;                                                 E.count –

……

}

认为已无用                                               E的引用数=4

                                                                   仍旧有用

应该释放                                                   gc不负责释放

 

结论:

1、  如果要释放对象,就必须使其的引用记数为0,只有那些不再被引用的对象才能被释放,这个原理很简单,但是很重要,是导致内存泄露的基本原因,也是解决内存泄露方法的宗旨。

2、  程序员无须管理对象空间具体的分配和释放过程,但必须要关注被释放对象的引用记数是否为0

3、  一个对象可能被其他对象引用的过程的几种

a、直接赋值,如上例中的A.a = E;

b、通过参数传递,例如public void addObject(Object E)

c、其它一些情况如系统调用等。

2、几种容易遗忘并导致不能释放的引用情况

1、通常的无用引

 

上面说明了在java应用程序执行期间具有不同生存周期的两个类,类A首先被实例化,并会在很长一段时间或程序的整个生存周期内存在,在某个时候,类B被创建,类A添加对这个新创建的类的一个引用。现在,我们假定类B是某个用户界面小部件,它由用户显示甚至解除。如果没清除类AB的引用,则即便不再需要类B,并且在执行下一个垃圾收集周期以后,类B仍将存在并占用内存空间

2、  内部类的引用

 

内部类的引用是比较容易遗忘的一种,而且一旦没释放可能导致一系列的后继类对象没有释放,从内部类的引用来看我们要释放对象A,需要做到的不仅是将对象A的引用记数清为0,最好是将指向A对象以及A对象内部成员的引用都清为0

                                                 ObjectB.referenceA = null释放了一个对ObjectA的引用。

                                                 ObjectA的内部实例ObjectD因被ObjectC引用而无法释放

                                                 ObjectD又引用ObjectA而导致ObjectA无法被释放,eg.

 

3、  监听器引用

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,建议在释放对象的时候删除这些对象,如果不这样做,那么程序存在内存泄露的机会将增大很多。

4、  外部模块的引用

对于程序员而言,自己的程序很清楚,如果发现内存泄露,自己对这些对象的引用可以很快定位并解决,但是现在的应用软件并非一个人实现,模块化的思想在现代软件中非常明显,所以程序员要小心外部模块不经意的引用,例如程序员A负责A模块,它调用了B模块的一个方法如:

public void registerMsg(Object b);

这种调用就要非常小心了,传入了一个对象,很可能模块B就保持了对该对象的引用,这时候就需要注意模块B是否提供相应的操作去除引用。

5、  系统的引用

这种引用比较少,但很难定位和解决,类似监听器引用,当创建系统类对象,譬如线程、定时器、面板、颜色选择框、文件选择对话框等,可能会产生一些引用,导致和它们相关的类不能释放,对于其中的原因和解决方案,大家可以去研究。

3、经验总结、预防措施和规范建议

1、  容器的removeall()方法

当类从JpanelJdialog或其它容器类继承的时候,删除该对象之前不妨调用它的removeall()方法

2、  线程的interrupe()方法

当类对象是一个Thread的时候,删除该对象之前不妨调用它的interrupe()方法

3、  JfileChooserremoveChoosableFileFilter()

如果创建了一个JfileChooser,并且加入了自己的文件过滤器,删除该对象之前不妨调用它的removeChoosableFileFilter()方法

4、  调用TimerTimerTaskCancel()方法

5、  当不需要一个类时,最好删除它的监听器

6、  内存检测过程中不仅要关注自己编写的类对象,同时也要关注一些基本类型的对象,例如:int[],String,char[]等等。

7、在确认一个对象无用后,将其所有引用显式的置为null

如何检测内存泄漏

最后一个重要的问题,就是如何检测Java的内存泄漏。目前,我们通常使用一些工具来检查Java程序的内存泄漏问题。市场上已有几种专业检查Java内存泄漏的工具,它们的基本工作原理大同小异,都是通过监测Java程序运行时,所有对象的申请、释放等动作,将内存管理的所有信息进行统计、分析、可视化。开发人员将根据这些信息判断程序是否有内存泄漏问题。这些工具包括Optimizeit ProfilerJProbe ProfilerJinSight , Rational 公司的Purify等。

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