Java 程序经验小结：消除 GC 触及不到的过期对象引用

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发布于: 2021 年 01 月 19 日

1、写在开头

因为 JVM 提供了自动管理内存的能力，当我们用完了对象之后，它们会被自动回收，这也容易让我们产生“开发者不再需要考虑内存管理”的错觉了，其实不然。

2、并非万能的 JVM 内存管理

上面提到，即使 JVM 为我们提供了垃圾回收器，将没用的对象回收以节省内存使用。下面我们通过一个例子，意识到内存泄露的存在：


public class Stack {  private Object[] elements;  private int size = 0;  private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
  // 初始化数组长度为16  public Stack() {    elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];  }
  /**   * 设置栈顶元素   */  public void push(Object e){    ensureCapacity();    elements[size++] = e;  }
  /**   * 弹出栈顶元素   */  public Object pop(){    if (size == 0){      throw new EmptyStackException();    }    return elements[--size];  }
  /**   * <p>扩容</p>   */  private void ensureCapacity() {    if (elements.length == size){      elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);    }  }}

复制代码

上面程序段隐藏着一个“内存泄露”的问题：随着垃圾回收器活动的增加，或者由于内存占用的不断增加，程序性能的降低会逐渐表现出来。

代码分析：

这个内存泄露的情况就是 pop() 方法，从栈弹出的对象将不会被当做垃圾回收，即使使用栈的程序不再引用这些对象，他们也不会被回收。原因就是，我们声明的栈内部（对象数组）维护着这些对象的过期引用（obsolete reference）。

Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1)：扩容方法，底层声明一个两倍的内存空间，然后将原有的数组引用拷贝到新的内存空间里。这样导致引用永远保持存活。而弹出栈顶也仅仅是返回指针指向的元素地址，并未删除对象引用。

过期引用：指的是永远不会再被解除的引用。

在极端情况下，这种内存泄露会导致磁盘交换（Disk Paging），甚至程序失败（OutOfMemoryError 错误），即使这种情况非常少。

3、对清理过期对象引用进行优化

Java 语言的内存泄露是非常隐蔽的（无意识的对象保持，unintentional object retention）。

一个对象被无意识的保留起来，可能会导致潜在的重大影响：

垃圾回收机制不再处理这个对象
垃圾回收机制不再处理这个对象所引用的所以其它对象

因此，对 pop()方法的有了下面的优化：


/**   * 弹出栈顶元素   */public Object pop(){    if (size == 0){        throw new EmptyStackException();    }     Object result = elements[--size];     elements[size] = null; //释放对象引用     return result;  }

复制代码

清空过期引用的好处之一是，可以尽快检测出程序中的错误，如果不清理导致往后继续被错误解除引用，程序会立即抛出 NullPointException 异常。

4、常见内存泄漏三个场景

第一个内存泄露的常见原因是自行管理内存（例如，开头的 Stack 类）：

自己管理内存（manage is own memory），存储池（storage pool）包含了 elements 数组（对象引用单元，而不是对象本身）的元素。
数组活动区域是已分配的（allocated），其余部分则是自由的（free），但是 GC 并不知道这一点，所以需要程序员自行将这个情况告知 GC。

解决方法：警惕类内存管理的场景，手动清空这些数组元素。

第二个内存泄漏的常见原因是缓存：一旦将对象引用放到缓存中，它很容易被遗忘掉，从而使得它不再有用并长期停留在缓存。

解决方法：使用 WeakHashMap 代表缓存，当缓存过期后会被自动删除。参考《弱引用是什么》

在 Java 集合中有一种特殊的 Map 类型：WeakHashMap。WeakHashMap 继承于 AbstractMap，实现了 Map 接口。和 HashMap 一样，WeakHashMap 也是一个散列表，它存储的内容也是键值对(key-value)映射，而且键和值都可以是 null。不过 WeakHashMap 的键是“弱键”，里面存放了键对象的弱引用，当某个键不再正常使用时，会从 WeakHashMap 中被自动移除。当一个键对象被垃圾回收，那么相应的值对象的引用会从 Map 中删除。WeakHashMap 能够节约存储空间，可用来缓存那些非必须存在的数据。

第三个内存泄漏的常见原因是监听器与回调：如果你实现了某个 API，客户端在这个 API 中注册回调（例如，流程上需要调用其他服务接口），却没有显式取消注册，这样会导致这类回调请求会积聚。

解决方法：同样将它们的服务调用对象保存为弱引用（weak reference），例如 WeakHashMap 的键。