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Java内存泄露分析技巧

什么是内存泄露？​

在Java程序运行时，系统会为其分配一块固定的内存空间，用于存储运行时的临时数据。如果程序试图使用超出可用内存范围的资源，就可能导致系统无法为新对象分配内存，从而抛出OutOfMemoryError异常，这种情况通常称为内存溢出（Out of Memory, OOM）。

Java具备自动内存管理机制，即垃圾回收器（GC），负责回收不再被引用或使用的对象所占用的内存空间，从而降低内存溢出风险。如下图所示，每当内存使用量达到一定程度时，GC的活动会增加，以释放空间。

然而，有时即使对象不再需要，仍然被引用着，导致GC无法释放这些内存资源。随着时间推移，这些未释放的对象会不断累积，可能最终导致内存泄漏，引发OutOfMemoryError或显著降低程序性能。

常见内存泄漏现象包括：

  • 从数据库一次性获取大量数据，导致内存被大量占用。
  • 实体类或集合中的引用在使用后未清理，阻碍JVM回收。
  • 静态变量中存储了大量数据，持续占用内存空间。

如何处理内存泄漏​

当怀疑存在内存泄漏时，可使用性能分析工具（如VisualVM、JProfiler）来监控程序的内存使用情况。这些工具的核心功能通常相似。

监控并确认内存泄漏​

首先，观察JVM内存使用情况，以确认是否确实存在内存泄漏。正常情况下，内存回收后未被释放的空间较小，每次回收后剩余的内存量基本相同，如下图所示：

如果发现每次GC后遗留的未释放内存逐渐增多，很可能是出现了内存泄漏：

分析泄漏原因​

若分析本地程序，直接用性能分析工具连接到运行的JVM即可。如需排查服务器上的Java程序，建议使用jmap生成heap dump文件来分析堆快照。

问题代码示例​

下面是一段会导致内存泄漏的示例代码。TempServiceImpl类中的appendData方法会不断向LARGE_DATA变量中追加数据：

public class TempServiceImpl {
    public static String LARGE_DATA = "";

    public void appendData() {
        for (;;) {
            doAppend();
        }
    }

    public void doAppend() {
        LARGE_DATA = LARGE_DATA + "模拟大量重复的数据";
    }
}

接着，在/test/oom接口中调用此方法：

@Controller
public class IndexController {
    @GetMapping("/test/oom")
    public void testOOM() {
        TempServiceImpl tempServiceImpl = new TempServiceImpl();
        tempServiceImpl.appendData();
    }
}

使用工具分析内存快照​

通过生成内存快照并在工具中打开，类选项卡展示了拍摄快照时内存中所有类的数量和大小。在这里可以看到75840个char[]对象占用14M的空间。

分析char[]对象时，可以右键选中后选择“使用选定对象”，观察对象的分配树、最大对象、引用和传出引用等信息。

以下是几个重要选项：

  • 最大对象：显示按保留大小排序的对象，便于发现占用内存较大的对象。
  • 引用：显示对象的引用树，帮助快速定位泄漏代码。
    • 传出引用：展示当前对象集的引用对象树（字段），用于查看对象的内存空间分配情况。
    • 传入引用：展示引用当前对象的引用树，常用于追踪问题代码来源。

下图是char[]对象的传入引用树：

从图中可以看出，大对象源于TempServiceImpl类中的静态变量LARGE_DATA，该类被IndexController类调用。此时可以着手优化问题代码。

内存泄露处理方法总结​

  1. 使用工具或命令监控Java程序，确认是否存在内存泄漏。

  2. 使用jmap保存程序内存快照，并用工具分析。

  3. 通过分析大对象和引用树，定位未清理的对象及其引用代码。

  4. 针对问题代码，决定优化代码或增加内存空间。

如何防止内存泄漏​

在Java中，预防内存泄漏的关键在于及时释放不再需要的对象引用，合理设计代码，并管理资源。以下是一些有效的策略：

  1. 及时释放不再需要的对象引用

避免长时间保留对象的引用，特别是当对象不再需要时，将它们的引用设置为null，让垃圾回收器能够尽快回收它们。

  1. 慎用静态集合和单例

静态集合（如ArrayList、HashMap等）和单例模式会持有对象的引用，直到JVM退出，容易导致内存泄露。将不再使用的对象及时从集合中移除，避免长时间引用。

  1. 使用弱引用和软引用

Java提供了WeakReference和SoftReference类，可用于存储非强引用对象，帮助垃圾回收器识别可以被回收的对象。

  • WeakReference：弱引用对象在下次垃圾回收时会被回收，适合缓存中短暂的数据。
  • SoftReference：软引用对象会在内存不足时被回收，适合用于较大的缓存。
  1. 及时关闭资源

使用完资源后（如数据库连接、文件、网络连接等），应立即关闭，防止内存泄露。可以使用try-with-resources语句确保资源被关闭。

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt")) {
    // 使用资源
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} // 自动关闭资源
  1. 确保线程能正确终止

创建的线程未能正确终止可能导致内存泄露。特别是自定义线程和线程池使用时，确保线程在任务结束后能正确退出。

使用ExecutorService管理线程池，并在不需要时调用shutdown()方法结束线程池。