【轉】Java的記憶體洩漏

一 問題的提出

Java的一個重要優點就是透過垃圾收集器 (Garbage Collection，GC)自動管理記憶體的回收，程式設計師不需要透過呼叫函式來釋放記憶體。因此，很多程式設計師認為Java不存在記憶體洩漏問題，或者認為即使有記憶體洩漏也不是程式的責任，而是GC或JVM的問題。其實，這種想法是不正確的，因為Java也存在記憶體洩露，但它的表現與C++不同。

隨著越來越多的伺服器程式採用Java技術，例如JSP，Servlet， EJB等，伺服器程式往往長期執行。另外，在很多嵌入式系統中，記憶體的總量非常有限。記憶體洩露問題也就變得十分關鍵，即使每次執行少量洩漏，長期執行之後，系統也是面臨崩潰的危險。

二 Java是如何管理記憶體

為了判斷Java中是否有記憶體洩露，我們首先必須瞭解Java是如何管理記憶體的。Java的記憶體管理就是物件的分配和釋放問題。在Java中，程式設計師需要透過關鍵字new為每個物件申請記憶體空間 (基本型別除外)，所有的物件都在堆 (Heap)中分配空間。另外，物件的釋放是由GC決定和執行的。在Java中，記憶體的分配是由程式完成的，而記憶體的釋放是有GC完成的，這種收支兩條線的方法確實簡化了程式設計師的工作。但同時，它也加重了JVM的工作。這也是Java程式執行速度較慢的原因之一。因為，GC為了能夠正確釋放物件，GC必須監控每一個物件的執行狀態，包括物件的申請、引用、被引用、賦值等，GC都需要進行監控。

監視物件狀態是為了更加準確地、及時地釋放物件，而釋放物件的根本原則就是該物件不再被引用。

為了更好理解GC的工作原理，我們可以將物件考慮為有向圖的頂點，將引用關係考慮為圖的有向邊，有向邊從引用者指向被引物件。另外，每個執行緒物件可以作為一個圖的起始頂點，例如大多程式從main程式開始執行，那麼該圖就是以main程式頂點開始的一棵根樹。在這個有向圖中，根頂點可達的物件都是有效物件， GC將不回收這些物件。如果某個物件 (連通子圖)與這個根頂點不可達(注意，該圖為有向圖)，那麼我們認為這個(這些)物件不再被引用，可以被GC回收。

以下，我們舉一個例子說明如何用有向圖表示記憶體管理。對於程式的每一個時刻，我們都有一個有向圖表示JVM的記憶體分配情況。以下右圖，就是左邊程式執行到第6行的示意圖。


Java 使用有向圖的方式進行記憶體管理，可以消除引用迴圈的問題，例如有三個物件，相互引用，只要它們和根程式不可達的，那麼GC也是可以回收它們的。這種方式的優點是管理記憶體的精度很高，但是效率較低。另外一種常用的記憶體管理技術是使用計數器，例如COM模型採用計數器方式管理構件，它與有向圖相比，精度行低 (很難處理迴圈引用的問題)，但執行效率很高。[@more@]三 什麼是Java中的記憶體洩露

下面，我們就可以描述什麼是記憶體洩漏。在 Java中，記憶體洩漏就是存在一些被分配的物件，這些物件有下面兩個特點，首先，這些物件是可達的，即在有向圖中，存在通路可以與其相連；其次，這些物件是無用的，即程式以後不會再使用這些物件。如果物件滿足這兩個條件，這些物件就可以判定為Java中的記憶體洩漏，這些物件不會被GC所回收，然而它卻佔用記憶體。

在C++中，記憶體洩漏的範圍更大一些。有些物件被分配了記憶體空間，然後卻不可達，由於C++中沒有GC，這些記憶體將永遠收不回來。在Java中，這些不可達的物件都由GC負責回收，因此程式設計師不需要考慮這部分的記憶體洩露。

透過分析，我們得知，對於C++，程式設計師需要自己管理邊和頂點，而對於Java程式設計師只需要管理邊就可以了(不需要管理頂點的釋放)。透過這種方式，Java提高了程式設計的效率。

因此，透過以上分析，我們知道在Java中也有記憶體洩漏，但範圍比C++要小一些。因為Java從語言上保證，任何物件都是可達的，所有的不可達物件都由GC管理。

對於程式設計師來說，GC基本是透明的，不可見的。雖然，我們只有幾個函式可以訪問GC，例如執行GC的函式System.gc()，但是根據Java語言規範定義，該函式不保證JVM的垃圾收集器一定會執行。因為，不同的JVM實現者可能使用不同的演算法管理GC。通常，GC的執行緒的優先順序別較低。JVM呼叫GC的策略也有很多種，有的是記憶體使用到達一定程度時，GC才開始工作，也有定時執行的，有的是平緩執行GC，有的是中斷式執行GC。但通常來說，我們不需要關心這些。除非在一些特定的場合，GC的執行影響應用程式的效能，例如對於基於Web的實時系統，如網路遊戲等，使用者不希望GC突然中斷應用程式執行而進行垃圾回收，那麼我們需要調整GC的引數，讓GC能夠透過平緩的方式釋放記憶體，例如將垃圾回收分解為一系列的小步驟執行，Sun提供的HotSpot JVM就支援這一特性。

下面給出了一個簡單的記憶體洩露的例子。在這個例子中，我們迴圈申請Object物件，並將所申請的物件放入一個 Vector中，如果我們僅僅釋放引用本身，那麼Vector仍然引用該物件，所以這個物件對GC來說是不可回收的。因此，如果物件加入到Vector 後，還必須從Vector中刪除，最簡單的方法就是將Vector物件設定為null。

Vector v=new Vector(10);
for (int i=1;i<100; i++)
{
Object o=new Object();
v.add(o);
o=null;
}
//此時，所有的Object物件都沒有被釋放，因為變數v引用這些物件。

四 如何檢測記憶體洩漏

最後一個重要的問題，就是如何檢測Java的記憶體洩漏。目前，我們通常使用一些工具來檢查Java程式的記憶體洩漏問題。市場上已有幾種專業檢查Java記憶體洩漏的工具，它們的基本工作原理大同小異，都是透過監測Java程式執行時，所有物件的申請、釋放等動作，將記憶體管理的所有資訊進行統計、分析、視覺化。開發人員將根據這些資訊判斷程式是否有記憶體洩漏問題。這些工具包括Optimizeit Profiler，JProbe Profiler，JinSight , Rational 公司的Purify等。

下面，我們將簡單介紹Optimizeit的基本功能和工作原理。

Optimizeit Profiler版本4.11支援Application，Applet，Servlet和Romote Application四類應用，並且可以支援大多數型別的JVM，包括SUN JDK系列，IBM的JDK系列，和Jbuilder的JVM等。並且，該軟體是由Java編寫，因此它支援多種作業系統。Optimizeit系列還包括Thread Debugger和Code Coverage兩個工具，分別用於監測執行時的執行緒狀態和程式碼覆蓋面。

當設定好所有的引數了，我們就可以在OptimizeIt環境下執行被測程式，在程式執行過程中，Optimizeit可以監視記憶體的使用曲線(如下圖)，包括JVM申請的堆(heap)的大小，和實際使用的記憶體大小。另外，在執行過程中，我們可以隨時暫停程式的執行，甚至強行呼叫GC，讓GC進行記憶體回收。透過記憶體使用曲線，我們可以整體瞭解程式使用記憶體的情況。這種監測對於長期執行的應用程式非常有必要，也很容易發現記憶體洩露。


在執行過程中，我們還可以從不同視角觀查記憶體的使用情況，Optimizeit提供了四種方式：

堆視角。 這是一個全面的視角，我們可以瞭解堆中的所有的物件資訊(數量和種類)，並進行統計、排序，過濾。瞭解相關物件的變化情況。
方法視角。透過方法視角，我們可以得知每一種類的物件，都分配在哪些方法中，以及它們的數量。
物件視角。給定一個物件，透過物件視角，我們可以顯示它的所有出引用和入引用物件，我們可以瞭解這個物件的所有引用關係。
引用圖。 給定一個根，透過引用圖，我們可以顯示從該頂點出發的所有出引用。

在執行過程中，我們可以隨時觀察記憶體的使用情況，透過這種方式，我們可以很快找到那些長期不被釋放，並且不再使用的物件。我們透過檢查這些物件的生存週期，確認其是否為記憶體洩露。在實踐當中，尋找記憶體洩露是一件非常麻煩的事情，它需要程式設計師對整個程式的程式碼比較清楚，並且需要豐富的除錯經驗，但是這個過程對於很多關鍵的Java程式都是十分重要的。

綜上所述，Java也存在記憶體洩露問題，其原因主要是一些物件雖然不再被使用，但它們仍然被引用。為了解決這些問題，我們可以透過軟體工具來檢查記憶體洩露，檢查的主要原理就是暴露出所有堆中的物件，讓程式設計師尋找那些無用但仍被引用的物件。