7种内存泄露场景和13种解决方案

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于 2021-04-22 15:11:17 首次发布

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本文深入探讨了Java中的内存泄露问题，包括其定义、影响和常见表现。通过实例解析了静态属性、未关闭资源、不当的equals和hashCode方法、外部类引用内部类、finalize方法、String的intern方法以及ThreadLocal可能导致内存泄露的场景，并提供了相应的处理和优化建议。此外，还提到了监控和分析工具、垃圾回收日志、引用对象以及代码审查等减少内存泄露的策略。

什么是内存泄露

什么是内存泄露，通俗的来说就是堆中的一些对象已经不会再被使用了，但垃圾收集器却无法将它们从内存中清除。

内存泄漏很严重的问题，因为它会阻塞内存资源并随着时间的推移降低系统性能。如果不进行有效的处理，最终的结果将会使应用程序耗尽内存资源，无法正常服务，导致程序崩溃，抛出java.lang.OutOfMemoryError异常。

堆内存中通常有两种类型的对象：被引用的对象和未被引用的对象。被引用的对象是应用程序中仍然具有活跃的引用，而未被引用的对象则没有任何活跃的引用。

垃圾收集器会回收那些未被引用的对象，但不会回收那些还在被引用的对象。这也是内存泄露发生的源头。
内存泄露往往有以下表象：

当应用程序长时间连续运行时，性能严重下降;
抛出OutOfMemoryError异常;
程序莫名其妙的自动崩溃;
应用程序耗尽链接对象;
当然，如果打印GC日志，有些场景下还会看到频繁执行full GC等状况。下面就具体分析一下这些场景和处理方案。

Java中内存泄露分类

在任何一个应用程序中，发生内存泄露往往由很多原因构成。下面我们就聊聊最常见的一些内存泄露场景。

静态属性导致内存泄露

会导致内存泄露的一种情况就是大量使用static静态变量。在Java中，静态属性的生命周期通常伴随着应用整个生命周期(除非ClassLoader符合垃圾回收的条件)。

下面来看一个具体的会导致内存泄露的实例：

public class StaticTest { 
    public static List<Double> list = new ArrayList<>(); 
 
    public void populateList() { 
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
            list.add(Math.random()); 
        } 
        Log.info("Debug Point 2"); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        Log.info("Debug Point 1"); 
        new StaticTest().populateList(); 
        Log.info("Debug Point 3"); 
    } 
}

如果监控内存堆内存的变化，会发现在打印Point1和Point2之间，堆内存会有一个明显的增长趋势图。

但当执行完populateList方法之后，对堆内存并没有被垃圾回收器进行回收。
因此，我们要十分留意static的变量，如果集合或大量的对象定义为static的，它们会停留在整个应用程序的生命周期当中。而它们所占用的内存空间，本可以用于其他地方。

那么如何优化呢?第一，进来减少静态变量;第二，如果使用单例，尽量采用懒加载。

未关闭的资源
无论什么时候当我们创建一个连接或打开一个流，JVM都会分配内存给这些资源。比如，数据库链接、输入流和session对象。

忘记关闭这些资源，会阻塞内存，从而导致GC无法进行清理。特别是当程序发生异常时，没有在finally中进行资源关闭的情况。

这些未正常关闭的连接，如果不进行处理，轻则影响程序性能，重则导致OutOfMemoryError异常发生。

如果进行处理呢?第一，始终记得在finally中进行资源的关闭;第二，关闭连接的自身代码不能发生异常;第三，Java7以上版本可使用try-with-resources代码方式进行资源关闭。

不当的equals方法和hashCode方法实现

当我们定义个新的类时，往往需要重写equals方法和hashCode方法。在HashSet和HashMap中的很多操作都用到了这两个方法。如果重写不得当，会造成内存泄露的问题。

下面来看一个具体的实例：

ublic class Person { 
    public String name; 
     
    public Person(String name) { 
        this.name = name; 
    } 
}

现在将重复的Person对象插入到Map当中。我们知道Map的key是不能重复的。

@Test 
public void givenMap_whenEqualsAndHashCodeNotOverridden_thenMemoryLeak() { 
    Map<Person, Integer> map = new HashMap<>(); 
    for(int i=0; i<100; i++) { 
        map.put(new Person("jon"), 1); 
    } 
    Assert.assertFalse(map.size() == 1); 
}

上述代码中将Person对象作为key，存入Map当中。理论上当重复的key存入Map时，会进行对象的覆盖，不会导致内存的增长。

但由于上述代码的Person类并没有重写equals方法，因此在执行put操作时，Map会认为每次创建的对象都是新的对象，从而导致内存不断的增长。
当重写equals方法和hashCode方法之后，Map当中便只会存储一个对象了。方法的实现如下：

public class Person { 
    public String name; 
     
    public Person(String name) { 
        this.name = name; 
    } 
     
    @Override 
    public boolean equals(Object o) { 
        if (o == this) return true; 
        if (!(o instanceof Person)) { 
            return false; 
        } 
        Person person = (Person) o; 
        return person.name.equals(name); 
    } 
     
    @Override 
    public int hashCode() { 
        int result = 17; 
        result = 31 * result + name.hashCode(); 
        return result; 
    } 
}

经过上述修改之后，Assert中判断Map的size便会返回true。

@Test 
public void givenMap_whenEqualsAndHashCodeNotOverridden_thenMemoryLeak() { 
    Map<Person, Integer> map = new HashMap<>(); 
    for(int i=0; i<2; i++) { 
        map.put(new Person("jon"), 1); 
    } 
    Assert.assertTrue(map.size() == 1); 
}

另外的例子就是当使用ORM框架，如Hibernate时，会使用equals方法和hashCode方法进行对象的的分析和缓存操作。

如果不重写这些方法，则发生内存泄漏的可能性非常高，因为Hibernate将无法比较对象(每次都是新对象)，然后不停的更新缓存。

如何进行处理?第一，如果创建一个实体类，总是重写equals方法和hashCode方法;第二，不仅要覆盖默认的方法实现，而且还要考虑最优的实现方式;
外部类引用内部类
这种情况发生在非静态内部类(匿名类)中，在类初始化时，内部类总是需要外部类的一个实例。

每个非静态内部类默认都持有外部类的隐式引用。如果在应用程序中使用该内部类的对象，即使外部类使用完毕，也不会对其进行垃圾回收。

假设一个类，其中包含大量笨重对象的引用，并且具有一个非静态内部类。
此种情况，之所以发生内存泄露，是因为内部类对象隐含的持有外部类的引用，从而导致外部类成为垃圾对象时却无法被正常回收。使用匿名类的时候也会发生类似的情况。

如何避免此种情况?如果内部类不需要访问外部类的成员信息，可以考虑将其转换为静态内部类。
finalize()方法
使用finalize()方法会存在潜在的内存泄露问题，每当一个类的finalize()方法被重写时，该类的对象就不会被GC立即回收。GC会将它们放入队列进行最终确定，在以后的某个时间点进行回收。

如果finalize()方法重写的不合理或finalizer队列无法跟上Java垃圾回收器的速度，那么迟早，应用程序会出现OutOfMemoryError异常。

假设某个类重写了finalize()方法，并且重写的方法在执行时需要一些时间。

String的intern方法
字符串常量池在Java7中从PermGen移动到了堆空间。在Java6及以前版本，我们使用字符串时要多加小心。

如果读取了一个大字符串对象，并且调用其intern方法，intern()会将String放在JVM的内存池中(PermGen)，而JVM的内存池是不会被GC的。同样会造成程序性能降低和内存溢出问题。

使用ThreadLocal
ThreadLocal提供了线程本地变量，它可以保证访问到的变量属于当前线程，每个线程都保存有一个变量副本，每个线程的变量都不同。ThreadLocal相当于提供了一种线程隔离，将变量与线程相绑定，从而实现线程安全的特性。
ThreadLocal的实现中，每个Thread维护一个ThreadLocalMap映射表，key是ThreadLocal实例本身，value是真正需要存储的Object。

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统GC时，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value。

如果当前线程迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。

如何解决此问题?

第一，使用ThreadLocal提供的remove方法，可对当前线程中的value值进行移除;

第二，不要使用ThreadLocal.set(null) 的方式清除value，它实际上并没有清除值，而是查找与当前线程关联的Map并将键值对分别设置为当前线程和null。

第三，最好将ThreadLocal视为需要在finally块中关闭的资源，以确保即使在发生异常的情况下也始终关闭该资源。

try { 
    threadLocal.set(System.nanoTime()); 
    //... further processing 
} finally { 
    threadLocal.remove(); 
}

处理内存泄漏的其他策略
尽管在处理内存泄漏时没有万能的解决方案，但是有一些方法可以使内存泄漏最小化。

启用分析
我们可通过一些工具，用来对应用应用程序的内存使用情况等进行监控和诊断，从而找到最佳的利用系统资源的方案。

类似的工具有前面我们提到的VisualVM，还有Mission Control，JProfiler，YourKit，Java VisualVM和Netbeans Profiler等。

显示垃圾回收详情
通过启用垃圾收集详情日志，可以对GC的详细进行跟踪。通过以下命令进行启动：

-verbose:gc

通过添加此参数，我们可以看到GC内部发生的情况的详细信息：

使用引用对象避免内存泄漏
在Java中，我们还可以使用java.lang.ref包内置引用对象来处理内存泄漏。使用java.lang.ref包，而不是直接引用对象，我们对对象使用特殊的引用，从而确保它们可以轻松地被垃圾回收。

IDE警告
无论是Eclipse还是IDEA，如果安装对应的插件(比如阿里巴巴开发手册插件等)，当写代码中出现内存泄露风险代码时，IDE会进行警告提醒，从而从源头上避免内存泄露的代码出现在生产环境。

基准测试
通过执行基准测试来衡量和分析Java代码的性能，从而选择更合理的解决方案。

Code Review
这也是最古老，最有效的方式之一，通过经验丰富的开发人员对代码的Review或多人进行Review，从而达到查漏补缺的效果，排除一些常见的内存泄露问题。