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Java 內(nèi)存管理機制

在 C++ 語言中，如果需要動態(tài)分配一塊內(nèi)存，程序員需要負責這塊內(nèi)存的整個生命周期。從申請分配、到使用、再到最后的釋放。這樣的過程非常靈活，但是卻十分繁瑣，程序員很容易由于疏忽而忘記釋放內(nèi)存，從而導致內(nèi)存的泄露。 Java 語言對內(nèi)存管理做了自己的優(yōu)化，這就是垃圾回收機制。 Java 的幾乎所有內(nèi)存對象都是在堆內(nèi)存上分配（基本數(shù)據(jù)類型除外），然后由 GC （ garbage ?collection ）負責自動回收不再使用的內(nèi)存。

????上面是 Java 內(nèi)存管理機制的基本情況。但是如果僅僅理解到這里，我們在實際的項目開發(fā)中仍然會遇到內(nèi)存泄漏的問題。也許有人表示懷疑，既然 Java 的垃圾回收機制能夠自動的回收內(nèi)存，怎么還會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的情況呢？這個問題，我們需要知道 GC 在什么時候回收內(nèi)存對象，什么樣的內(nèi)存對象會被 GC 認為是“不再使用”的。

????Java 中對內(nèi)存對象的訪問，使用的是引用的方式。在 Java 代碼中我們維護一個內(nèi)存對象的引用變量，通過這個引用變量的值，我們可以訪問到對應的內(nèi)存地址中的內(nèi)存對象空間。在 Java 程序中，這個引用變量本身既可以存放堆內(nèi)存中，又可以放在代碼棧的內(nèi)存中（與基本數(shù)據(jù)類型相同）。 GC 線程會從代碼棧中的引用變量開始跟蹤，從而判定哪些內(nèi)存是正在使用的。如果 GC 線程通過這種方式，無法跟蹤到某一塊堆內(nèi)存，那么 GC 就認為這塊內(nèi)存將不再使用了（因為代碼中已經(jīng)無法訪問這塊內(nèi)存了）。

?

?

????通過這種有向圖的內(nèi)存管理方式，當一個內(nèi)存對象失去了所有的引用之后， GC 就可以將其回收。反過來說，如果這個對象還存在引用，那么它將不會被 GC 回收，哪怕是 Java 虛擬機拋出 OutOfMemoryError 。

Java 內(nèi)存泄露

????一般來說內(nèi)存泄漏有兩種情況。一種情況如在 C/C++ 語言中的，在堆中的分配的內(nèi)存，在沒有將其釋放掉的時候，就將所有能訪問這塊內(nèi)存的方式都刪掉（如指針重新賦值）；另一種情況則是在內(nèi)存對象明明已經(jīng)不需要的時候，還仍然保留著這塊內(nèi)存和它的訪問方式（引用）。第一種情況，在 Java 中已經(jīng)由于垃圾回收機制的引入，得到了很好的解決。所以， Java 中的內(nèi)存泄漏，主要指的是第二種情況。

????可能光說概念太抽象了，大家可以看一下這樣的例子：

???
????在這個例子中，代碼棧中存在 Vector 對象的引用 v 和 Object 對象的引用 o 。在 For 循環(huán)中，我們不斷的生成新的對象，然后將其添加到 Vector 對象中，之后將 o 引用置空。問題是當 o 引用被置空后，如果發(fā)生 GC ，我們創(chuàng)建的 Object 對象是否能夠被 GC 回收呢？答案是否定的。因為， GC 在跟蹤代碼棧中的引用時，會發(fā)現(xiàn) v 引用，而繼續(xù)往下跟蹤，就會發(fā)現(xiàn) v 引用指向的內(nèi)存空間中又存在指向 Object 對象的引用。也就是說盡管 o 引用已經(jīng)被置空，但是 Object 對象仍然存在其他的引用，是可以被訪問到的，所以 GC 無法將其釋放掉。如果在此循環(huán)之后， Object 對象對程序已經(jīng)沒有任何作用，那么我們就認為此 Java 程序發(fā)生了內(nèi)存泄漏。

????盡管對于 C/C++ 中的內(nèi)存泄露情況來說， Java 內(nèi)存泄露導致的破壞性小，除了少數(shù)情況會出現(xiàn)程序崩潰的情況外，大多數(shù)情況下程序仍然能正常運行。但是，在移動設備對于內(nèi)存和 CPU 都有較嚴格的限制的情況下， Java 的內(nèi)存溢出會導致程序效率低下、占用大量不需要的內(nèi)存等問題。這將導致整個機器性能變差，嚴重的也會引起拋出 OutOfMemoryError ，導致程序崩潰。

一般情況下內(nèi)存泄漏的避免

????在不涉及復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一般情況下， Java 的內(nèi)存泄露表現(xiàn)為一個內(nèi)存對象的生命周期超出了程序需要它的時間長度。我們有時也將其稱為“對象游離”。

例如：

????在這段代碼中， FileSearch 類中有一個函數(shù) hasString ，用來判斷文檔中是否含有指定的字符串。流程是先將 mFile 加載到內(nèi)存中，然后進行判斷。但是，這里的問題是，將 content 聲明為了實例變量，而不是本地變量。于是，在此函數(shù)返回之后，內(nèi)存中仍然存在整個文件的數(shù)據(jù)。而很明顯，這些數(shù)據(jù)我們后續(xù)是不再需要的，這就造成了內(nèi)存的無故浪費。

????要避免這種情況下的內(nèi)存泄露，要求我們以 C/C++ 的內(nèi)存管理思維來管理自己分配的內(nèi)存。第一，是在聲明對象引用之前，明確內(nèi)存對象的有效作用域。在一個函數(shù)內(nèi)有效的內(nèi)存對象，應該聲明為 local 變量，與類實例生命周期相同的要聲明為實例變量……以此類推。第二，在內(nèi)存對象不再需要時，記得手動將其引用置空。

復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)存泄露問題

????在 實際的項目中，我們經(jīng)常用到一些較為復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于緩存程序運行過程中需要的數(shù)據(jù)信息。有時，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過于復雜，或者我們存在一些特殊的需求（例 如，在內(nèi)存允許的情況下，盡可能多的緩存信息來提高程序的運行速度等情況），我們很難對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的生命周期作出明確的界定。這個時候，我們可以使用 Java 中一種特殊的機制來達到防止內(nèi)存泄露的目的。

????之前我們介紹過， Java 的 GC 機制是建立在跟蹤內(nèi)存的引用機制上的。而在此之前，我們所使用的引用都只是定義一個“ Object?o; ”這樣形式的。事實上，這只是 Java 引用機制中的一種默認情況，除此之外，還有其他的一些引用方式。通過使用這些特殊的引用機制，配合 GC 機制，就可以達到一些我們需要的效果。

Java 中的幾種引用方式

????Java 中有幾種不同的引用方式，它們分別是：強引用、軟引用、弱引用和虛引用。下面，我們首先詳細地了解下這幾種引用方式的意義。

????
????? 強引用

在此之前我們介紹的內(nèi)容中所使用的引用 都是強引用，這是使用最普遍的引用。如果一個對象具有強引用，那就類似于必不可少的生活用品，垃圾回收器絕不會回收它。當內(nèi)存空?間不足， Java 虛擬機寧愿拋出 OutOfMemoryError 錯誤，使程序異常終止，也不會靠隨意回收具有強引用的對象來解決內(nèi)存不足問題。

軟引用（ SoftReference ）

SoftReference? 類的一個典型用途就是用于內(nèi)存敏感的高速緩存。 SoftReference? 的原理是：在保持對對象的引用時保證在? JVM? 報告內(nèi)存不足情況之前將清除所有的軟引用。關鍵之處在于，垃圾收集器在運行時可能會（也可能不會）釋放軟可及對象。對象是否被釋放取決于垃圾收集器的算法?以及垃圾收集器運行時可用的內(nèi)存數(shù)量。

弱引用（ WeakReference ）

WeakReference? 類的一個典型用途就是規(guī)范化映射（ canonicalized?mapping ）。另外，對于那些生存期相對較長而且重新創(chuàng)建的開銷也不高的對象來說，弱引用也比較有用。關鍵之處在于，垃圾收集器運行時如果碰到了弱可及對象，將釋放? WeakReference? 引用的對象。然而，請注意，垃圾收集器可能要運行多次才能找到并釋放弱可及對象。

虛引用（ PhantomReference ）

PhantomReference? 類只能用于跟蹤對被引用對象即將進行的收集。同樣，它還能用于執(zhí)行? pre-mortem? 清除操作。 PhantomReference? 必須與? ReferenceQueue? 類一起使用。需要? ReferenceQueue? 是因為它能夠充當通知機制。當垃圾收集器確定了某個對象是虛可及對象時， PhantomReference? 對象就被放在它的? ReferenceQueue? 上。將? PhantomReference? 對象放在? ReferenceQueue? 上也就是一個通知，表明? PhantomReference? 對象引用的對象已經(jīng)結(jié)束，可供收集了。這使您能夠剛好在對象占用的內(nèi)存被回收之前采取行動。 Reference 與 ReferenceQueue 的配合使用。

GC 、 Reference 與 ReferenceQueue 的交互

A、? GC 無法刪除存在強引用的對象的內(nèi)存。

B、? GC 發(fā)現(xiàn)一個只有軟引用的對象內(nèi)存，那么：

①? SoftReference 對象的 referent? 域被設置為 null ，從而使該對象不再引用 heap 對象。

②? SoftReference 引用過的 heap 對象被聲明為 finalizable 。

③? 當? heap? 對象的? finalize()? 方法被運行而且該對象占用的內(nèi)存被釋放， SoftReference? 對象就被添加到它的? ReferenceQueue （如果后者存在的話）。

C、? GC 發(fā)現(xiàn)一個只有弱引用的對象內(nèi)存，那么：

①? WeakReference 對象的 referent 域被設置為 null , 從而使該對象不再引用 heap 對象。

②? WeakReference 引用過的 heap 對象被聲明為 finalizable 。

③? 當 heap 對象的 finalize() 方法被運行而且該對象占用的內(nèi)存被釋放時， WeakReference 對象就被添加到它的 ReferenceQueue （如果后者存在的話）。

D、? GC 發(fā)現(xiàn)一個只有虛引用的對象內(nèi)存，那么：

①? PhantomReference 引用過的 heap 對象被聲明為 finalizable 。

②? PhantomReference 在堆對象被釋放之前就被添加到它的 ReferenceQueue 。

值得注意的地方有以下幾點：

1 、 GC 在一般情況下不會發(fā)現(xiàn)軟引用的內(nèi)存對象，只有在內(nèi)存明顯不足的時候才會發(fā)現(xiàn)并釋放軟引用對象的內(nèi)存。

2 、 GC 對弱引用的發(fā)現(xiàn)和釋放也不是立即的，有時需要重復幾次 GC ，才會發(fā)現(xiàn)并釋放弱引用的內(nèi)存對象。
3 、軟引用和弱引用在添加到 ReferenceQueue 的時候，其指向真實內(nèi)存的引用已經(jīng)被置為空了，相關的內(nèi)存也已經(jīng)被釋放掉了。而虛引用在添加到 ReferenceQueue 的時候，內(nèi)存還沒有釋放，仍然可以對其進行訪問。

????代碼示例

通過以上的介紹，相信您對 Java 的引用機制以及幾種引用方式的異同已經(jīng)有了一定了解。光是概念，可能過于抽象，下面我們通過一個例子來演示如何在代碼中使用 Reference 機制。

在以上代碼中，注意⑤⑥兩處地方。假如“ hello ”對象沒有被回收 wf.get() 將返回“ hello ”字符串對象， rq.poll() 返回 null ；而加入“ hello ”對象已經(jīng)被回收了，那么 wf.get() 返回 null ， rq.poll() 返回 Reference 對象，但是此 Reference 對象中已經(jīng)沒有 str 對象的引用了 ( PhantomReference 則與 WeakReference 、 SoftReference 不同 ) 。

????引用機制與復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合應用

????了解了 GC 機制、引用機制，并配合上 ReferenceQueue ，我們就可以實現(xiàn)一些防止內(nèi)存溢出的復雜數(shù)據(jù)類型。

例如， SoftReference 具有構(gòu)建 Cache 系統(tǒng)的特質(zhì)，因此我們可以結(jié)合哈希表實現(xiàn)一個簡單的緩存系統(tǒng)。這樣既能保證能夠盡可能多的緩存信息，又可以保證 Java 虛擬機不會因為內(nèi)存泄露而拋出 OutOfMemoryError 。這種緩存機制特別適合于內(nèi)存對象生命周期長，且生成內(nèi)存對象的耗時比較長的情況，例如緩存列表封面圖片等。對于一些生命周期較長，但是生成內(nèi)存對象開銷不大的情況，使用 WeakReference 能夠達到更好的內(nèi)存管理的效果。

附 SoftHashmap 的源碼一份，相信看過之后，大家會對 Reference 機制的應用有更深入的理解。

??1 package ?com. *** .widget;
??2
??3 // :?SoftHashMap.java?
??4 import ?java.util. * ;?
??5 import ?java.lang.ref. * ;?
??6
??7 import ?android.util.Log;
??8
??9 public ? class ?SoftHashMap? extends ?AbstractMap? {?
?10 ?? /** ?The?internal?HashMap?that?will?hold?the?SoftReference.? */ ?
?11 ?? private ? final ?Map?hash? = ? new ?HashMap();?
?12 ?? /** ?The?number?of?"hard"?references?to?hold?internally.? */ ?
?13 ?? private ? final ? int ?HARD_SIZE;?
?14 ?? /** ?The?FIFO?list?of?hard?references,?order?of?last?access.? */ ?
?15 ?? private ? final ?LinkedList?hardCache? = ? new ?LinkedList();?
?16 ?? /** ?Reference?queue?for?cleared?SoftReference?objects.? */ ?
?17 ?? private ?ReferenceQueue?queue? = ? new ?ReferenceQueue();?
?18
?19 ?? // Strong?Reference?number
?20 ?? public ?SoftHashMap()? {? this ( 100 );?} ?
?21 ?? public ?SoftHashMap( int ?hardSize)? {?HARD_SIZE? = ?hardSize;?} ?
?22 ??
?23
?24 ?? public ?Object?get(Object?key)? {?
?25 ????Object?result? = ? null ;?
?26 ???? // ?We?get?the?SoftReference?represented?by?that?key?
?27 ????SoftReference?soft_ref? = ?(SoftReference)hash.get(key);?
?28 ???? if ?(soft_ref? != ? null )? {?
?29 ?????? // ?From?the?SoftReference?we?get?the?value,?which?can?be?
?30 ?????? // ?null?if?it?was?not?in?the?map,?or?it?was?removed?in?
?31 ?????? // ?the?processQueue()?method?defined?below?
?32 ??????result? = ?soft_ref.get();?
?33 ?????? if ?(result? == ? null )? {?
?34 ???????? // ?If?the?value?has?been?garbage?collected,?remove?the?
?35 ???????? // ?entry?from?the?HashMap.?
?36 ????????hash.remove(key);?
?37 ??????} ? else ? {?
?38 ???????? // ?We?now?add?this?object?to?the?beginning?of?the?hard?
?39 ???????? // ?reference?queue.??One?reference?can?occur?more?than?
?40 ???????? // ?once,?because?lookups?of?the?FIFO?queue?are?slow,?so?
?41 ???????? // ?we?don't?want?to?search?through?it?each?time?to?remove?
?42 ???????? // ?duplicates.?
?43 ?????????? // keep?recent?use?object?in?memory
?44 ????????hardCache.addFirst(result);?
?45 ???????? if ?(hardCache.size()? > ?HARD_SIZE)? {?
?46 ?????????? // ?Remove?the?last?entry?if?list?longer?than?HARD_SIZE?
?47 ??????????hardCache.removeLast();?
?48 ????????} ?
?49 ??????} ?
?50 ????} ?
?51 ???? return ?result;?
?52 ??} ?
?53
?54 ?? /** ?We?define?our?own?subclass?of?SoftReference?which?contains?
?55 ???not?only?the?value?but?also?the?key?to?make?it?easier?to?find?
?56 ???the?entry?in?the?HashMap?after?it's?been?garbage?collected.? */ ?
?57 ?? private ? static ? class ?SoftValue? extends ?SoftReference? {?
?58 ???? private ? final ?Object?key;? // ?always?make?data?member?final?
?59 ???? /** ?Did?you?know?that?an?outer?class?can?access?private?data?
?60 ?????members?and?methods?of?an?inner?class???I?didn't?know?that!?
?61 ?????I?thought?it?was?only?the?inner?class?who?could?access?the?
?62 ?????outer?class's?private?information.??An?outer?class?can?also?
?63 ?????access?private?members?of?an?inner?class?inside?its?inner?
?64 ?????class.? */ ?
?65 ???? private ?SoftValue(Object?k,?Object?key,?ReferenceQueue?q)? {?
?66 ?????? super (k,?q);?
?67 ?????? this .key? = ?key;?
?68 ????} ?
?69 ??} ?
?70
?71 ?? /** ?Here?we?go?through?the?ReferenceQueue?and?remove?garbage?
?72 ???collected?SoftValue?objects?from?the?HashMap?by?looking?them?
?73 ???up?using?the?SoftValue.key?data?member.? */ ?
?74 ?? public ? void ?processQueue()? {?
?75 ????SoftValue?sv;?
?76 ???? while ?((sv? = ?(SoftValue)queue.poll())? != ? null )? {?
?77 ???????? if (sv.get() == ? null ) {
?78 ????????????Log.e( " processQueue " ,? " null " );
?79 ????????} else {
?80 ????????????Log.e( " processQueue " ,? " Not?null " );
?81 ????????}
?82 ??????hash.remove(sv.key);? // ?we?can?access?private?data!
?83 ??????Log.e( " SoftHashMap " ,? " release? " ? + ?sv.key);
?84 ????} ?
?85 ??} ?
?86 ?? /** ?Here?we?put?the?key,?value?pair?into?the?HashMap?using?
?87 ???a?SoftValue?object.? */ ?
?88 ?? public ?Object?put(Object?key,?Object?value)? {?
?89 ????processQueue();? // ?throw?out?garbage?collected?values?first?
?90 ????Log.e( " SoftHashMap " ,? " put?into? " ? + ?key);
?91 ???? return ?hash.put(key,? new ?SoftValue(value,?key,?queue));?
?92 ??} ?
?93 ?? public ?Object?remove(Object?key)? {?
?94 ????processQueue();? // ?throw?out?garbage?collected?values?first?
?95 ???? return ?hash.remove(key);?
?96 ??} ?
?97 ?? public ? void ?clear()? {?
?98 ????hardCache.clear();?
?99 ????processQueue();? // ?throw?out?garbage?collected?values?
100 ????hash.clear();?
101 ??} ?
102 ?? public ? int ?size()? {?
103 ????processQueue();? // ?throw?out?garbage?collected?values?first?
104 ???? return ?hash.size();?
105 ??} ?
106 ?? public ?Set?entrySet()? {?
107 ???? // ?no,?no,?you?may?NOT?do?that!!!?GRRR?
108 ???? throw ? new ?UnsupportedOperationException();?
109 ??} ?
110 } ?
111
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113

Java內(nèi)存泄露的理解與解決