面試必問：手寫一個內存泄漏的程序

手寫一個內存泄露的程序是面試官經常問的問題。

造成內存泄漏，就是讓運行的程序無法訪問存儲在內存中的對象，下面是Java實現：

1. 創建一個長時間運行的線程（使用線程池泄露的速度更快）。
2. 線程通過ClassLoader加載某個類（也可以用自定義ClassLoader）。
3. 這個類分配了大量內存（例如new byte[1000000]），賦給靜態字段存儲對它的強引用，然后在ThreadLocal中存儲對自身的引用。還可以分配額外的內存，這樣泄漏的速度更快（其實只要泄漏Class實例就足夠了）。
4. 這個線程會清除所有自定義類及加載它的ClassLoader的引用。
5. 重復執行。

這個方法之所以奏效，是因為ThreadLocal保留了對該對象的引用，對象引用保留了對Class的引用，而Class引用又保留了對ClassLoader的引用。反過來，ClassLoader會保留通過它加載的所有類的引用。

（在許多JVM實現中情況更糟，尤其Java 7之前版本。因為Class和ClassLoader會直接分配到permgen中，GC不進行回收）。但是，無論JVM如何處理類卸載，ThreadLocal仍然會阻止被回收的Class對象）。

這種方案還可以變化為，頻繁地重新部署碰巧用到ThreadLocal的應用程序。這時像Tomcat這樣的應用程序容器會像篩子一樣泄漏內存。（因為應用程序容器會像上面那樣啟動線程，並且每次重新部署應用程序時，都會使用新的ClassLoader）

ClassLoaderLeakExample.java

import java.io.IOException;
import java.net.URLClassLoader;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.Path;

/**
 * ClassLoader泄漏演示
 *
 * <p>要查看實際運行效果，請將此文件復制到某個臨時目錄，
 * 然后運行：
 * <pre>{@code
 *   javac ClassLoaderLeakExample.java
 *   java -cp .ClassLoaderLeakExample
 * }</pre>
 *
 * <p>可以看到內存不斷增加！在我的系統上，使用JDK 1.8.0_25，開始
 * 短短幾秒鍾就收到了OutofMemoryErrors
 *
 * <p>這個類用到了一些Java 8功能，主要用於
 * I/O 操作同樣的原理可以適用於
 * Java 1.2以后的任何Java版本
 */
public final class ClassLoaderLeakExample {

  static volatile boolean running = true;

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread thread = new LongRunningThread();
    try {
      thread.start();
      System.out.println("Running, press any key to stop.");
      System.in.read();
    } finally {
      running = false;
      thread.join();
    }
  }

  /**
   * 線程的實現只是循環調用
   * {@link #loadAndDiscard()}
   */
  static final class LongRunningThread extends Thread {
    @Override public void run() {
      while(running) {
        try {
          loadAndDiscard();
        } catch (Throwable ex) {
          ex.printStackTrace();
        }
        try {
          Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException ex) {
          System.out.println("Caught InterruptedException, shutting down.");
          running = false;
        }
      }
    }
  }
  
  /**
   * 這是一個簡單的ClassLoader實現，只能加載一個類
   * 即LoadedInChildClassLoader類.這里需要解決一些麻煩
   * 必須確保每次得到一個新的類
   * (而非系統class loader提供的
   * 重用類).如果此子類所在JAR文件不在系統的classpath中,
   * 不需要這么麻煩.
   */
  static final class ChildOnlyClassLoader extends ClassLoader {
    ChildOnlyClassLoader() {
      super(ClassLoaderLeakExample.class.getClassLoader());
    }
    
    @Override protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
      if (!LoadedInChildClassLoader.class.getName().equals(name)) {
        return super.loadClass(name, resolve);
      }
      try {
        Path path = Paths.get(LoadedInChildClassLoader.class.getName()
            + ".class");
        byte[] classBytes = Files.readAllBytes(path);
        Class<?> c = defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);
        if (resolve) {
          resolveClass(c);
        }
        return c;
      } catch (IOException ex) {
        throw new ClassNotFoundException("Could not load " + name, ex);
      }
    }
  }
  
  /**
   * Helper方法會創建一個新的ClassLoader, 加載一個類,
   * 然后丟棄對它們的所有引用.從理論上講，應該不會影響GC
   * 因為沒有引用可以逃脫該方法! 但實際上，
   * 結果會像篩子一樣泄漏內存.
   */
  static void loadAndDiscard() throws Exception {
    ClassLoader childClassLoader = new ChildOnlyClassLoader();
    Class<?> childClass = Class.forName(
        LoadedInChildClassLoader.class.getName(), true, childClassLoader);
    childClass.newInstance();
    // 該方法返回時，將無法訪問
    // childClassLoader或childClass的引用，
    // 但是這些對象仍會成為GC Root!
  }

  /**
   * 一個看起來人畜無害的類，沒有做什么特別的事情.
   */
  public static final class LoadedInChildClassLoader {
    // 獲取一些bytes.對於泄漏不是必需的，
    // 只是讓效果出得更快一些.
    // 注意：這里開始真正泄露內存，這些bytes
    // 每次迭代都為這個final靜態字段創建了!
    static final byte[] moreBytesToLeak = new byte[1024 * 1024 * 10];
  
    private static final ThreadLocal<LoadedInChildClassLoader> threadLocal
        = new ThreadLocal<>();
    
    public LoadedInChildClassLoader() {
      // 在ThreadLocal中存儲對這個類的引用
      threadLocal.set(this);
    }
  }
}