出自：ibm:developerworks中國(guó)網(wǎng)站 歐陽(yáng)辰周欣
一 問題的提出
Java的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是通過垃圾收集器(Garbage Collection，GC)自動(dòng)管理內(nèi)存的回收，程序員不需要通過調(diào)用函數(shù)來釋放內(nèi)存。因此，很多程序員認(rèn)為Java不存在內(nèi)存泄漏問題，或者認(rèn)為即使有內(nèi)存泄漏也不是程序的責(zé)任，而是GC或JVM的問題。其實(shí)，這種想法是不正確的，因?yàn)镴ava也存在內(nèi)存泄露，但它的表現(xiàn)與C 不同。
隨著越來越多的服務(wù)器程序采用Java技術(shù)，例如JSP，Servlet， EJB等，服務(wù)器程序往往長(zhǎng)期運(yùn)行。另外，在很多嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存的總量非常有限。內(nèi)存泄露問題也就變得十分關(guān)鍵，即使每次運(yùn)行少量泄漏，長(zhǎng)期運(yùn)行之后，系統(tǒng)也是面臨崩潰的危險(xiǎn)。
二 Java是如何管理內(nèi)存
為了判斷Java中是否有內(nèi)存泄露，我們首先必須了解Java是如何管理內(nèi)存的。Java的內(nèi)存管理就是對(duì)象的分配和釋放問題。在Java中，程序員需要通過關(guān)鍵字new為每個(gè)對(duì)象申請(qǐng)內(nèi)存空間 (基本類型除外)，所有的對(duì)象都在堆 (Heap)中分配空間。另外，對(duì)象的釋放是由GC決定和執(zhí)行的。在Java中，內(nèi)存的分配是由程序完成的，而內(nèi)存的釋放是有GC完成的，這種收支兩條線的方法確實(shí)簡(jiǎn)化了程序員的工作。但同時(shí)，它也加重了JVM的工作。這也是Java程序運(yùn)行速度較慢的原因之一。因?yàn)椋珿C為了能夠正確釋放對(duì)象，GC必須監(jiān)控每一個(gè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，包括對(duì)象的申請(qǐng)、引用、被引用、賦值等，GC都需要進(jìn)行監(jiān)控。
監(jiān)視對(duì)象狀態(tài)是為了更加準(zhǔn)確地、及時(shí)地釋放對(duì)象，而釋放對(duì)象的根本原則就是該對(duì)象不再被引用。
為了更好理解GC的工作原理，我們可以將對(duì)象考慮為有向圖的頂點(diǎn)，將引用關(guān)系考慮為圖的有向邊，有向邊從引用者指向被引對(duì)象。另外，每個(gè)線程對(duì)象可以作為一個(gè)圖的起始頂點(diǎn)，例如大多程序從main進(jìn)程開始執(zhí)行，那么該圖就是以main進(jìn)程頂點(diǎn)開始的一棵根樹。在這個(gè)有向圖中，根頂點(diǎn)可達(dá)的對(duì)象都是有效對(duì)象，GC將不回收這些對(duì)象。如果某個(gè)對(duì)象 (連通子圖)與這個(gè)根頂點(diǎn)不可達(dá)(注意，該圖為有向圖)，那么我們認(rèn)為這個(gè)(這些)對(duì)象不再被引用，可以被GC回收。
以下，我們舉一個(gè)例子說明如何用有向圖表示內(nèi)存管理。對(duì)于程序的每一個(gè)時(shí)刻，我們都有一個(gè)有向圖表示JVM的內(nèi)存分配情況。以下右圖，就是左邊程序運(yùn)行到第6行的示意圖。
Java使用有向圖的方式進(jìn)行內(nèi)存管理，可以消除引用循環(huán)的問題，例如有三個(gè)對(duì)象，相互引用，只要它們和根進(jìn)程不可達(dá)的，那么GC也是可以回收它們的。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是管理內(nèi)存的精度很高，但是效率較低。另外一種常用的內(nèi)存管理技術(shù)是使用計(jì)數(shù)器，例如COM模型采用計(jì)數(shù)器方式管理構(gòu)件，它與有向圖相比，精度行低(很難處理循環(huán)引用的問題)，但執(zhí)行效率很高。
三 什么是Java中的內(nèi)存泄露
下面，我們就可以描述什么是內(nèi)存泄漏。在Java中，內(nèi)存泄漏就是存在一些被分配的對(duì)象，這些對(duì)象有下面兩個(gè)特點(diǎn)，首先，這些對(duì)象是可達(dá)的，即在有向圖中，存在通路可以與其相連；其次，這些對(duì)象是無用的，即程序以后不會(huì)再使用這些對(duì)象。如果對(duì)象滿足這兩個(gè)條件，這些對(duì)象就可以判定為Java中的內(nèi)存泄漏，這些對(duì)象不會(huì)被GC所回收，然而它卻占用內(nèi)存。
在C 中，內(nèi)存泄漏的范圍更大一些。有些對(duì)象被分配了內(nèi)存空間，然后卻不可達(dá)，由于C 中沒有GC，這些內(nèi)存將永遠(yuǎn)收不回來。在Java中，這些不可達(dá)的對(duì)象都由GC負(fù)責(zé)回收，因此程序員不需要考慮這部分的內(nèi)存泄露。
通過分析，我們得知，對(duì)于C ，程序員需要自己管理邊和頂點(diǎn)，而對(duì)于Java程序員只需要管理邊就可以了(不需要管理頂點(diǎn)的釋放)。通過這種方式，Java提高了編程的效率。
因此，通過以上分析，我們知道在Java中也有內(nèi)存泄漏，但范圍比C 要小一些。因?yàn)镴ava從語(yǔ)言上保證，任何對(duì)象都是可達(dá)的，所有的不可達(dá)對(duì)象都由GC管理。
對(duì)于程序員來說，GC基本是透明的，不可見的。雖然，我們只有幾個(gè)函數(shù)可以訪問GC，例如運(yùn)行GC的函數(shù)System.gc()，但是根據(jù)Java語(yǔ)言規(guī)范定義， 該函數(shù)不保證JVM的垃圾收集器一定會(huì)執(zhí)行。因?yàn)椋煌腏VM實(shí)現(xiàn)者可能使用不同的算法管理GC。通常，GC的線程的優(yōu)先級(jí)別較低。JVM調(diào)用GC的策略也有很多種，有的是內(nèi)存使用到達(dá)一定程度時(shí)，GC才開始工作，也有定時(shí)執(zhí)行的，有的是平緩執(zhí)行GC，有的是中斷式執(zhí)行GC。但通常來說，我們不需要關(guān)心這些。除非在一些特定的場(chǎng)合，GC的執(zhí)行影響應(yīng)用程序的性能，例如對(duì)于基于Web的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)游戲等，用戶不希望GC突然中斷應(yīng)用程序執(zhí)行而進(jìn)行垃圾回收，那么我們需要調(diào)整GC的參數(shù)，讓GC能夠通過平緩的方式釋放內(nèi)存，例如將垃圾回收分解為一系列的小步驟執(zhí)行，Sun提供的HotSpot JVM就支持這一特性。
下面給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)存泄露的例子。在這個(gè)例子中，我們循環(huán)申請(qǐng)Object對(duì)象，并將所申請(qǐng)的對(duì)象放入一個(gè)Vector中，如果我們僅僅釋放引用本身，那么Vector仍然引用該對(duì)象，所以這個(gè)對(duì)象對(duì)GC來說是不可回收的。因此，如果對(duì)象加入到Vector后，還必須從Vector中刪除，最簡(jiǎn)單的方法就是將Vector對(duì)象設(shè)置為null。
Vector v=new Vector(10);
for (int i=1;i<100; i )
{
Object o=new Object();
v.add(o);
o=null;
}
//此時(shí)，所有的Object對(duì)象都沒有被釋放，因?yàn)樽兞縱引用這些對(duì)象。
四 如何檢測(cè)內(nèi)存泄漏
最后一個(gè)重要的問題，就是如何檢測(cè)Java的內(nèi)存泄漏。目前，我們通常使用一些工具來檢查Java程序的內(nèi)存泄漏問題。市場(chǎng)上已有幾種專業(yè)檢查Java內(nèi)存泄漏的工具，它們的基本工作原理大同小異，都是通過監(jiān)測(cè)Java程序運(yùn)行時(shí)，所有對(duì)象的申請(qǐng)、釋放等動(dòng)作，將內(nèi)存管理的所有信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、可視化。開發(fā)人員將根據(jù)這些信息判斷程序是否有內(nèi)存泄漏問題。這些工具包括Optimizeit Profiler，JProbe Profiler，JinSight , Rational 公司的Purify等。
下面，我們將簡(jiǎn)單介紹Optimizeit的基本功能和工作原理。
Optimizeit Profiler版本4.11支持Application，Applet，Servlet和Romote Application四類應(yīng)用，并且可以支持大多數(shù)類型的JVM，包括SUN JDK系列，IBM的JDK系列，和Jbuilder的JVM等。并且，該軟件是由Java編寫，因此它支持多種操作系統(tǒng)。Optimizeit系列還包括Thread Debugger和Code Coverage兩個(gè)工具，分別用于監(jiān)測(cè)運(yùn)行時(shí)的線程狀態(tài)和代碼覆蓋面。
當(dāng)設(shè)置好所有的參數(shù)了，我們就可以在OptimizeIt環(huán)境下運(yùn)行被測(cè)程序，在程序運(yùn)行過程中，Optimizeit可以監(jiān)視內(nèi)存的使用曲線(如下圖)，包括JVM申請(qǐng)的堆(heap)的大小，和實(shí)際使用的內(nèi)存大小。另外，在運(yùn)行過程中，我們可以隨時(shí)暫停程序的運(yùn)行，甚至強(qiáng)行調(diào)用GC，讓GC進(jìn)行內(nèi)存回收。通過內(nèi)存使用曲線，我們可以整體了解程序使用內(nèi)存的情況。這種監(jiān)測(cè)對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的應(yīng)用程序非常有必要，也很容易發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄露。
在運(yùn)行過程中，我們還可以從不同視角觀查內(nèi)存的使用情況，Optimizeit提供了四種方式：
堆視角。 這是一個(gè)全面的視角，我們可以了解堆中的所有的對(duì)象信息(數(shù)量和種類)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、排序，過濾。了解相關(guān)對(duì)象的變化情況。
方法視角。通過方法視角，我們可以得知每一種類的對(duì)象，都分配在哪些方法中，以及它們的數(shù)量。
對(duì)象視角。給定一個(gè)對(duì)象，通過對(duì)象視角，我們可以顯示它的所有出引用和入引用對(duì)象，我們可以了解這個(gè)對(duì)象的所有引用關(guān)系。
引用圖。 給定一個(gè)根，通過引用圖，我們可以顯示從該頂點(diǎn)出發(fā)的所有出引用。
在運(yùn)行過程中，我們可以隨時(shí)觀察內(nèi)存的使用情況，通過這種方式，我們可以很快找到那些長(zhǎng)期不被釋放，并且不再使用的對(duì)象。我們通過檢查這些對(duì)象的生存周期，確認(rèn)其是否為內(nèi)存泄露。在實(shí)踐當(dāng)中，尋找內(nèi)存泄露是一件非常麻煩的事情，它需要程序員對(duì)整個(gè)程序的代碼比較清楚，并且需要豐富的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，但是這個(gè)過程對(duì)于很多關(guān)鍵的Java程序都是十分重要的。
綜上所述，Java也存在內(nèi)存泄露問題，其原因主要是一些對(duì)象雖然不再被使用，但它們?nèi)匀槐灰谩榱私鉀Q這些問題，我們可以通過軟件工具來檢查內(nèi)存泄露，檢查的主要原理就是暴露出所有堆中的對(duì)象，讓程序員尋找那些無用但仍被引用的對(duì)象。
相關(guān)資源:
文章:
Jim Patrick, Handling memory leaks in Java programs,
http://www-106.ibm.com/developerWorks/library/j-leaks/index.htmlEd Lycklama, Does Java Technology Have Memory Leaks?
http://www.klgroup.com/javaoneSun, The Java HotSpot Virtual Machine, Technical White Paper
軟件：
Sitraka Software's Jprobe
http://www.sitraka.comBoland Software's Optimizeit
http://optimizeitIBM alphaWorks' Jinsight
http://www.alphaworks.ibm.com/tech/jinsight關(guān)于作者
歐陽(yáng)辰，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)碩士畢業(yè)，98年起開始研究基于java的軟件開發(fā)、測(cè)試，參與開發(fā)、測(cè)試過多個(gè)基于Java的應(yīng)用程序和Web服務(wù)項(xiàng)目。聯(lián)系方式
yeekee@sina.com周欣，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系在讀博士生，主要研究方向：程序理解、逆向工程及軟件度量，聯(lián)系方式
zhouxin@sei.pku.edu.cn