java的GC與內存泄漏

從誕生至今，20多年過去，Java至今仍是使用最為廣泛的語言。這仰賴於Java提供的各種技術和特性，讓開發人員能優雅的編寫高效的程序。今天我們就來說說Java的一項基本但非常重要的技術內存管理

了解C語言的同學都知道，在C語言中內存的開辟和釋放都是由我們自己來管理的，每一個new操作都要對於一個delete操作，否則就會參數內存泄漏和溢出的問題，導致非常槽糕的后果。但在Java開發過程中，則完全不需要擔心這個問題。因為jvm提供了自動內存管理的機制。內存管理的工作由jvm幫我們完成。這樣我們就不用為了釋放內存而頭疼了。

Jvm內存淺析

雖然jvm幫我們做了內存管理的工作，但是我們仍需要了解jvm到底做了什么，下面我們就一起去看一看

jvm啟動時進行一系列的工作，其中一項就是開辟一塊運行時內存。而這一塊內存中又分為了五大區域，分別用於不同的功能。

 

 

程序計數器

 記錄程序運行的下一條指令的地址，這里的“地址”可以是一個本地指針，也可以是在方法字節碼中相對於該方法起始指令的偏移量。如果該線程正在執行一個本地方法，那么此時程序計數器的值為”undefined”.在多線程環境下，每一個線程都有自己的程序計數器，在jvm調度線程時，會把當前的線程的程序計數器保存到快照，以便下次線程獲取執行時間時獲取

VM Stack

虛擬機棧是Java方法執行的內存模型，每個方法執行的時候，會在棧中創建一幀用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口。方法開始調用時，會創建棧幀並入棧，方法執行結束時會出棧。每個線程都有自己的棧。

動態鏈接：是一種在常量池中指向方法的符號引用，需要在運行期確定為直接引用

方法出口：當前執行方法的調用者的程序計數器，或異常處理表的地址

可以通過 -xxs 大小 來配置棧的大小，當嵌套調用使用不當，會導致方法不停的入棧，最終導致棧空間被占滿產生 StackOverflowError

本地方法棧

Heap

堆是用於存放對象實例的地方，幾乎所有對象實例在堆中分配。堆是線程共享的，這是多線程時同步機制的原因。

堆是GC管理的主要區域，GC在對堆進行回收前，首先要確定對象是否已死（不可能再被使用的對象）

判斷對象是否存活的算法有兩種：引用計數算法、可達性分析算法

引用計數算法是為每一個對象添加一個引用計數器，每當有一個引用指向它時，計數器就加一，任何時刻計數器為0的對象就不可能再被使用。這種算法實現簡單，但是它很難解決對象循環引用的問題(何為循環引用見下方備注)

可達性分析算法是Java語言正在使用的算法。它的基本思想是通過一系統被稱為“GC Root”的對象為起點，從這個起點向下搜索，搜索走過的路徑稱為引用鏈，當一個對象不再任何引用鏈上時，則說明這個對象是不可能再被使用的。

在Java語言中，GC Root包括以下幾種對象：

1. 虛擬機棧中引用的對象
2. 本地方法棧中JNI引用的對象
3. 方法區中類靜態成員變量引用的對象
4. 方法區中常量引用的對象

可以看出分析對象是否存活，都與引用有關。在JDK1.2之后，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分為 強引用(Strong Reference)、軟引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虛引用(Phantom Reference)

1. 強引用

強引用即為原來意義上的引用，只要強引用存在，被引用的對象就不會被回收

1. 軟引用

SoftReference類表示軟引用，對於被軟引用關聯的對象，在系統將要發生內存溢出時，會把這些對象列入回收范圍后，進行二次回收

1. 弱引用

WeakReference類表示弱引用，對於被弱引用關聯的對象，只能生存到下一次垃圾回收發生之前

1. 虛引用

PhantomReference類表示虛引用，虛引用不對關聯的對象的生存時間構成影響，也無法取得對象實例，它唯一的作用是在對象被GC回收是收到一條系統通知

堆得大小可以通過-Xmx和-Xms來控制。對於主流的Jvm，GC基本都采用分代收集的算法。基於這個算法， Java堆又分為新生代(Young Generation)和老年代(Old Generation)，新生代又被進一步划分為Eden和Survivor區，最后Survivor由FromSpace和ToSpace組成。新建的對象都是用新生代分配內存，Eden空間不足的時候，會把存活的對象轉移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn來控制，也可以用-XX:SurvivorRatio來控制Eden和Survivor的比例。老生代用於存放新生代中經過多次垃圾回收(也即Minor GC)仍然存活的對象。

永生代(Permanent Space)為方法區

 

 

方法區

方法區也為所以線程所共享，用於存放已加載的類信息、靜態變量、常量和即時編譯器編譯后的代碼。-XX:MaxPermSize用於設置方法區大小

直接內存

直接內存不是虛擬機運行時數據區的一部分。通過Native函數庫直接分配的堆外內存，然后通過存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作

內存分配和回收策略

目前為止，jvm已經發展處三種比較成熟的垃圾收集算法：1.標記-清除算法；2.復制算法；3.標記-整理算法；4.分代收集算法

1．        標記-清除算法

這種垃圾回收一次回收分為兩個階段：標記、清除。首先標記所有需要回收的對象，在標記完成后回收所有被標記的對象。這種回收算法會產生大量不連續的內存碎片，當要頻繁分配一個大對象時，jvm在新生代中找不到足夠大的連續的內存塊，會導致jvm頻繁進行內存回收(目前有機制，對大對象，直接分配到老年代中)

2．        復制算法

這種算法會將內存划分為兩個相等的塊，每次只使用其中一塊。當這塊內存不夠使用時，就將還存活的對象復制到另一塊內存中，然后把這塊內存一次清理掉。這樣做的效率比較高，也避免了內存碎片。但是這樣內存的可使用空間減半，是個不小的損失。

3．        標記-整理算法

這是標記-清除算法的升級版。在完成標記階段后，不是直接對可回收對象進行清理，而是讓存活對象向着一端移動，然后清理掉邊界以外的內存

4．        分代收集算法

當前商業虛擬機都采用這種算法。首先根據對象存活周期的不同將內存分為幾塊即新生代、老年代，然后根據不同年代的特點，采用不同的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集時都有大量對象死去，只有少量存活，所以選擇了復制算法。而老年代中因為對象存活率比較高，所以采用標記-整理算法(或者標記-清除算法)

GC的執行機制

由於對象進行了分代處理，因此垃圾回收區域、時間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC和Full GC。

　　Minor GC

　　一般情況下，當新對象生成，並且在Eden申請空間失敗時，就會觸發Minor GC，對Eden區域進行GC，清除非存活對象，並且把尚且存活的對象移動到Survivor區。然后整理Survivor的兩個區。這種方式的GC是對年輕代的Eden區進行，不會影響到年老代。因為大部分對象都是從Eden區開始的，同時Eden區不會分配的很大，所以Eden區的GC會頻繁進行。因而，一般在這里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能盡快空閑出來。

　　Full GC

　　對整個堆進行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因為需要對整個堆進行回收，所以比Minor GC要慢，因此應該盡可能減少Full GC的次數。在對JVM調優的過程中，很大一部分工作就是對於FullGC的調節。有如下原因可能導致Full GC：

　　1.年老代（Tenured）被寫滿

　　2.持久代（Perm）被寫滿

　　3.System.gc()被顯示調用

     4.上一次GC之后Heap的各域分配策略動態變化

Java常見的內存泄漏

1. 數據庫連接，網絡連接，IO連接等沒有顯示調用close關閉，會導致內存泄露
2. 監聽器的使用，在釋放對象的同時沒有相應刪除監聽器的時候也可能導致內存泄露

 

JAVA是垃圾回收語言的一種，開發者無需特意管理內存分配。但是JAVA中還是存在着許多內存泄露的可能性，如果不好好處理內存泄露，會導致APP內存單元無法釋放被浪費掉，最終導致內存全部占據堆棧(heap)擠爆進而程序崩潰。

內存泄露

說到內存泄露，就不得不提到內存溢出，這兩個比較容易混淆的概念，我們來分析一下。

• 內存泄露：程序在向系統申請分配內存空間后(new)，在使用完畢后未釋放。結果導致一直占據該內存單元，我們和程序都無法再使用該內存單元，直到程序結束，這是內存泄露。

• 內存溢出：程序向系統申請的內存空間超出了系統能給的。比如內存只能分配一個int類型，我卻要塞給他一個long類型，系統就出現oom。又比如一車最多能坐5個人，你卻非要塞下10個，車就擠爆了。

大量的內存泄露會導致內存溢出(oom)。

內存

想要了解內存泄露，對內存的了解必不可少。
JAVA是在JVM所虛擬出的內存環境中運行的，JVM的內存可分為三個區：堆(heap)、棧(stack)和方法區(method)。

• 棧(stack)：是簡單的數據結構，但在計算機中使用廣泛。棧最顯著的特征是：LIFO(Last In, First Out, 后進先出)。比如我們往箱子里面放衣服，先放入的在最下方，只有拿出后來放入的才能拿到下方的衣服。棧中只存放基本類型和對象的引用(不是對象)。

• 堆(heap)：堆內存用於存放由new創建的對象和數組。在堆中分配的內存，由java虛擬機自動垃圾回收器來管理。JVM只有一個堆區(heap)被所有線程共享，堆中不存放基本類型和對象引用，只存放對象本身。

• 方法區(method)：又叫靜態區，跟堆一樣，被所有的線程共享。方法區包含所有的class和static變量。

內存的概念大概理解清楚后，要考慮的問題來了：
到底是哪里的內存會讓我們造成內存泄露？

 

 

內存泄露原因分析

在JAVA中JVM的棧記錄了方法的調用，每個線程擁有一個棧。在線程的運行過程當中，執行到一個新的方法調用，就在棧中增加一個內存單元，即幀(frame)。在frame中，保存有該方法調用的參數、局部變量和返回地址。然而JAVA中的局部變量只能是基本類型變量(int)，或者對象的引用。所以在棧中只存放基本類型變量和對象的引用。引用的對象保存在堆中。

當某方法運行結束時，該方法對應的frame將會從棧中刪除，frame中所有局部變量和參數所占有的空間也隨之釋放。線程回到原方法繼續執行，當所有的棧都清空的時候，程序也就隨之運行結束。

而對於堆內存，堆存放着普通變量。在JAVA中堆內存不會隨着方法的結束而清空，所以在方法中定義了局部變量，在方法結束后變量依然存活在堆中。

綜上所述，棧(stack)可以自行清除不用的內存空間。但是如果我們不停的創建新對象，堆(heap)的內存空間就會被消耗盡。所以JAVA引入了垃圾回收(garbage collection，簡稱GC)去處理堆內存的回收，但如果對象一直被引用無法被回收，造成內存的浪費，無法再被使用。所以對象無法被GC回收就是造成內存泄露的原因！

垃圾回收機制

垃圾回收(garbage collection，簡稱GC)可以自動清空堆中不再使用的對象。在JAVA中對象是通過引用使用的。如果再沒有引用指向該對象，那么該對象就無從處理或調用該對象，這樣的對象稱為不可到達（unreachable）。垃圾回收用於釋放不可到達的對象所占據的內存。

實現思想：我們將棧定義為root，遍歷棧中所有的對象的引用，再遍歷一遍堆中的對象。因為棧中的對象的引用執行完畢就刪除，所以我們就可以通過棧中的對象的引用，查找到堆中沒有被指向的對象，這些對象即為不可到達對象，對其進行垃圾回收。

垃圾回收實現思想

如果持有對象的強引用，垃圾回收器是無法在內存中回收這個對象。

引用類型

在JDK 1.2以前的版本中，若一個對象不被任何變量引用，那么程序就無法再使用這個對象。也就是說，只有對象處於可觸及(reachable)狀態，程序才能使用它。從JDK 1.2版本開始，把對象的引用分為4種級別，從而使程序能更加靈活地控制對象的生命周期。這4種級別由高到低依次為：強引用、軟引用、弱引用和虛引用。
Java/Android引用類型及其使用分析

1. 強引用(Strong reference)
實際編碼中最常見的一種引用類型。常見形式如：A a = new A();等。強引用本身存儲在棧內存中，其存儲指向對內存中對象的地址。一般情況下，當對內存中的對象不再有任何強引用指向它時，垃圾回收機器開始考慮可能要對此內存進行的垃圾回收。如當進行編碼：a = null，此時，剛剛在堆中分配地址並新建的a對象沒有其他的任何引用，當系統進行垃圾回收時，堆內存將被垃圾回收。

2. 軟引用(Soft Reference)
軟引用的一般使用形式如下：

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

軟引用所指示的對象進行垃圾回收需要滿足如下兩個條件：
1.當其指示的對象沒有任何強引用對象指向它；
2.當虛擬機內存不足時。
因此，SoftReference變相的延長了其指示對象占據堆內存的時間，直到虛擬機內存不足時垃圾回收器才回收此堆內存空間。

3. 弱引用(Weak Reference)
同樣的，軟引用的一般使用形式如下：

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

WeakReference不改變原有強引用對象的垃圾回收時機，一旦其指示對象沒有任何強引用對象時，此對象即進入正常的垃圾回收流程。

4. 虛引用(Phantom Reference)
與SoftReference或WeakReference相比，PhantomReference主要差別體現在如下幾點：
1.PhantomReference只有一個構造函數

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

2.不管有無強引用指向PhantomReference的指示對象，PhantomReference的get()方法返回結果都是null。

因此，PhantomReference使用必須結合ReferenceQueue；
與WeakReference相同，PhantomReference並不會改變其指示對象的垃圾回收時機。

內存泄露原因

如果持有對象的強引用，垃圾回收器是無法在內存中回收這個對象。

內存泄露的真因是：持有對象的強引用，且沒有及時釋放，進而造成內存單元一直被占用，浪費空間，甚至可能造成內存溢出！

其實在Android中會造成內存泄露的情景無外乎兩種：

• 全局進程(process-global)的static變量。這個無視應用的狀態，持有Activity的強引用的怪物。
• 活在Activity生命周期之外的線程。沒有清空對Activity的強引用。

檢查一下你的項目中是否有以下幾種情況：

• Static Activities
• Static Views
• Inner Classes
• Anonymous Classes
• Handler
• Threads
• TimerTask
• Sensor Manager