摘 要 穩(wěn)定性是衡量軟件系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，內(nèi)存泄漏是破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。由于采用垃圾回收機(jī)制，Java語言的內(nèi)存泄漏的模式與C++等語言相比有很大的不同。全文通過與C++中的內(nèi)存泄漏問題進(jìn)行對(duì)比，講述了Java內(nèi)存泄漏的基本原理，以及如何借助Optimizeit profiler工具來測(cè)試內(nèi)存泄漏和分析內(nèi)存泄漏的原因，在實(shí)踐中證明這是一套行之有效的方法。

　　關(guān)鍵詞 Java; 內(nèi)存泄漏; GC(垃圾收集器) 引用; Optimizeit

　　問題的提出

　　筆者曾經(jīng)參與開發(fā)的網(wǎng)管系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模龐大，涉及上百萬行代碼。系統(tǒng)主要采用Java語言開發(fā)，大體上分為客戶端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫三個(gè)層次。在版本進(jìn)入測(cè)試和試用的過程中，現(xiàn)場(chǎng)人員和測(cè)試部人員紛紛反映:系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器端運(yùn)行一晝夜就死機(jī)的現(xiàn)象，客戶端跑死的現(xiàn)象也比較頻繁地發(fā)生。對(duì)于網(wǎng)管系統(tǒng)來講，經(jīng)常性的服務(wù)器死機(jī)是個(gè)比較嚴(yán)重的問題，因?yàn)轭l繁的死機(jī)不僅可能導(dǎo)致前后臺(tái)數(shù)據(jù)不一致，發(fā)生錯(cuò)誤，更會(huì)引起用戶的不滿，降低客戶的信任度。因此，服務(wù)器端的穩(wěn)定性問題必須盡快解決。

　　解決思路

　　通過察看服務(wù)器端日志，發(fā)現(xiàn)死機(jī)前服務(wù)器端頻繁拋出OutOfMemoryException內(nèi)存溢出錯(cuò)誤，因此初步把死機(jī)的原因定位為內(nèi)存泄漏引起內(nèi)存不足，進(jìn)而引起內(nèi)存溢出錯(cuò)誤。如何查找引起內(nèi)存泄漏的原因呢?有兩種思路:第一種，安排有經(jīng)驗(yàn)的編程人員對(duì)代碼進(jìn)行走查和分析，找出內(nèi)存泄漏發(fā)生的位置;第二種，使用專門的內(nèi)存泄漏測(cè)試工具Optimizeit進(jìn)行測(cè)試。這兩種方法都是解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的有效手段，使用內(nèi)存測(cè)試工具對(duì)于已經(jīng)暴露出來的內(nèi)存泄漏問題的定位和解決非常有效;但是軟件測(cè)試的理論也告訴我們，系統(tǒng)中永遠(yuǎn)存在一些沒有暴露出來的問題，而且，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題也不僅僅只是內(nèi)存泄漏的問題，代碼走查是提高系統(tǒng)的整體代碼質(zhì)量乃至解決潛在問題的有效手段。基于這樣的考慮，我們的內(nèi)存穩(wěn)定性工作決定采用代碼走查結(jié)合測(cè)試工具的使用，雙管齊下，爭(zhēng)取比較徹底地解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

　　在代碼走查的工作中，安排了對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)和開發(fā)語言工具比較熟悉的開發(fā)人員對(duì)應(yīng)用的代碼進(jìn)行了交叉走查，找出代碼中存在的數(shù)據(jù)庫連接聲明和結(jié)果集未關(guān)閉、代碼冗余和低效等故障若干，取得了良好的效果，文中主要講述結(jié)合工具的使用對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的內(nèi)存泄漏問題的定位方法。

　　內(nèi)存泄漏的基本原理

　　在C++語言程序中，使用new操作符創(chuàng)建的對(duì)象，在使用完畢后應(yīng)該通過delete操作符顯示地釋放，否則，這些對(duì)象將占用堆空間，永遠(yuǎn)沒有辦法得到回收，從而引起內(nèi)存空間的泄漏。如下的簡(jiǎn)單代碼就可以引起內(nèi)存的泄漏:

void function(){
　Int[] vec = new int[5];
}
　　在function()方法執(zhí)行完畢后，vec數(shù)組已經(jīng)是不可達(dá)對(duì)象，在C++語言中，這樣的對(duì)象永遠(yuǎn)也得不到釋放，稱這種現(xiàn)象為內(nèi)存泄漏。

　　而Java是通過垃圾收集器(Garbage Collection，GC)自動(dòng)管理內(nèi)存的回收，程序員不需要通過調(diào)用函數(shù)來釋放內(nèi)存，但它只能回收無用并且不再被其它對(duì)象引用的那些對(duì)象所占用的空間。在下面的代碼中，循環(huán)申請(qǐng)Object對(duì)象，并將所申請(qǐng)的對(duì)象放入一個(gè)Vector中，如果僅僅釋放對(duì)象本身，但是因?yàn)閂ector仍然引用該對(duì)象，所以這個(gè)對(duì)象對(duì)GC來說是不可回收的。因此，如果對(duì)象加入到Vector后，還必須從Vector中刪除，最簡(jiǎn)單的方法就是將Vector對(duì)象設(shè)置為null。

Vector v = new Vector(10);
for (int i = 1; i < 100; i++)
{
　Object o = new Object();
　v.add(o);
　o = null;
}//此時(shí)，所有的Object對(duì)象都沒有被釋放，因?yàn)樽兞縱引用這些對(duì)象。
　　實(shí)際上無用，而還被引用的對(duì)象，GC就無能為力了(事實(shí)上GC認(rèn)為它還有用)，這一點(diǎn)是導(dǎo)致內(nèi)存泄漏最重要的原因。

　　Java的內(nèi)存回收機(jī)制可以形象地理解為在堆空間中引入了重力場(chǎng)，已經(jīng)加載的類的靜態(tài)變量和處于活動(dòng)線程的堆棧空間的變量是這個(gè)空間的牽引對(duì)象。這里牽引對(duì)象是指按照J(rèn)ava語言規(guī)范，即便沒有其它對(duì)象保持對(duì)它的引用也不能夠被回收的對(duì)象，即Java內(nèi)存空間中的本原對(duì)象。當(dāng)然類可能被去加載，活動(dòng)線程的堆棧也是不斷變化的，牽引對(duì)象的集合也是不斷變化的。對(duì)于堆空間中的任何一個(gè)對(duì)象，如果存在一條或者多條從某個(gè)或者某幾個(gè)牽引對(duì)象到該對(duì)象的引用鏈，則就是可達(dá)對(duì)象，可以形象地理解為從牽引對(duì)象伸出的引用鏈將其拉住，避免掉到回收池中;而其它的不可達(dá)對(duì)象由于不存在牽引對(duì)象的拉力，在重力的作用下將掉入回收池。在圖1中，A、B、C、D、E、F六個(gè)對(duì)象都被牽引對(duì)象所直接或者間接地“牽引”，使得它們避免在重力的作用下掉入回收池。如果TR1-A鏈和TR2-D鏈斷開，則A、B、C三個(gè)對(duì)象由于失去牽引，在重力的作用下掉入回收池(被回收)，D對(duì)象也是同樣的原因掉入回收池，而F對(duì)象仍然存在一個(gè)牽引鏈(TR3-E-F)，所以不會(huì)被回收，如圖2、3所示。

　　
　　圖1 初始狀態(tài)

　　
　　圖2 TR1-A鏈和TR2-D鏈斷開，A、B、C、D掉入回收池

　　
　　圖3 A、B、C、D四個(gè)對(duì)象被回收

　　通過前面的介紹可以看到，由于采用了垃圾回收機(jī)制，任何不可達(dá)對(duì)象都可以由垃圾收集線程回收。因此通常說的Java內(nèi)存泄漏其實(shí)是指無意識(shí)的、非故意的對(duì)象引用，或者無意識(shí)的對(duì)象保持。無意識(shí)的對(duì)象引用是指代碼的開發(fā)人員本來已經(jīng)對(duì)對(duì)象使用完畢，卻因?yàn)榫幋a的錯(cuò)誤而意外地保存了對(duì)該對(duì)象的引用(這個(gè)引用的存在并不是編碼人員的主觀意愿)，從而使得該對(duì)象一直無法被垃圾回收器回收掉，這種本來以為可以釋放掉的卻最終未能被釋放的空間可以認(rèn)為是被“泄漏了”。

　　這里通過一個(gè)例子來演示Java的內(nèi)存泄漏。假設(shè)有一個(gè)日志類Logger，其提供一個(gè)靜態(tài)的log(String msg)方法，任何其它類都可以調(diào)用Logger.Log(message)來將message的內(nèi)容記錄到系統(tǒng)的日志文件中。Logger類有一個(gè)類型為HashMap的靜態(tài)變量temp，每次在執(zhí)行l(wèi)og(message)方法的時(shí)候，都首先將message的值丟入temp中(以當(dāng)前線程+當(dāng)前時(shí)間為鍵)，在方法退出之前再從temp中將以當(dāng)前線程和當(dāng)前時(shí)間為鍵的條目刪除。注意，這里當(dāng)前時(shí)間是不斷變化的，所以log方法在退出之前執(zhí)行刪除條目的操作并不能刪除方法執(zhí)行之初丟入的條目。這樣，任何一個(gè)作為參數(shù)傳給log方法的字符串最終由于被Logger的靜態(tài)變量temp引用，而無法得到回收，這種違背實(shí)現(xiàn)者主觀意圖的無意識(shí)的對(duì)象保持就是我們所說的Java內(nèi)存泄漏。
鑒別泄漏對(duì)象的方法

　　一般說來，一個(gè)正常的系統(tǒng)在其運(yùn)行穩(wěn)定后其內(nèi)存的占用量是基本穩(wěn)定的，不應(yīng)該是無限制的增長(zhǎng)的，同樣，對(duì)任何一個(gè)類的對(duì)象的使用個(gè)數(shù)也有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的上限，不應(yīng)該是持續(xù)增長(zhǎng)的。根據(jù)這樣的基本假設(shè)，我們可以持續(xù)地觀察系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的內(nèi)存的大小和各實(shí)例的個(gè)數(shù)，如果內(nèi)存的大小持續(xù)地增長(zhǎng)，則說明系統(tǒng)存在內(nèi)存泄漏，如果某個(gè)類的實(shí)例的個(gè)數(shù)持續(xù)地增長(zhǎng)，則說明這個(gè)類的實(shí)例可能存在泄漏情況。

　　Optimizeit是Borland公司的產(chǎn)品，主要用于協(xié)助對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行代碼優(yōu)化和故障診斷，其功能眾多，使用方便，其中的OptimizeIt Profiler主要用于內(nèi)存泄漏的分析。Profiler的堆視圖(如圖4)就是用來觀察系統(tǒng)運(yùn)行使用的內(nèi)存大小和各個(gè)類的實(shí)例分配的個(gè)數(shù)的，其界面如圖四所示，各列自左至右分別為類名稱、當(dāng)前實(shí)例個(gè)數(shù)、自上個(gè)標(biāo)記點(diǎn)開始增長(zhǎng)的實(shí)例個(gè)數(shù)、占用的內(nèi)存空間的大小、自上次標(biāo)記點(diǎn)開始增長(zhǎng)的內(nèi)存的大小、被釋放的實(shí)例的個(gè)數(shù)信息、自上次標(biāo)記點(diǎn)開始增長(zhǎng)的內(nèi)存的大小被釋放的實(shí)例的個(gè)數(shù)信息，表的最后一行是匯總數(shù)據(jù)，分別表示目前JVM中的對(duì)象實(shí)例總數(shù)、實(shí)例增長(zhǎng)總數(shù)、內(nèi)存使用總數(shù)、內(nèi)存使用增長(zhǎng)總數(shù)等。

　　在實(shí)踐中，可以分別在系統(tǒng)運(yùn)行四個(gè)小時(shí)、八個(gè)小時(shí)、十二個(gè)小時(shí)和二十四個(gè)小時(shí)時(shí)間點(diǎn)記錄當(dāng)時(shí)的內(nèi)存狀態(tài)(即抓取當(dāng)時(shí)的內(nèi)存快照，是工具提供的功能，這個(gè)快照也是供下一步分析使用)，找出實(shí)例個(gè)數(shù)增長(zhǎng)的前十位的類，記錄下這十個(gè)類的名稱和當(dāng)前實(shí)例的個(gè)數(shù)。在記錄完數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊Profiler中右上角的Mark按鈕，將該點(diǎn)的狀態(tài)作為下一次記錄數(shù)據(jù)時(shí)的比較點(diǎn)。

　　
　　圖4 Profiler 堆視圖

　　系統(tǒng)運(yùn)行二十四小時(shí)以后可以得到四個(gè)內(nèi)存快照。對(duì)這四個(gè)內(nèi)存快照進(jìn)行綜合分析，如果每一次快照的內(nèi)存使用都比上一次有增長(zhǎng)，可以認(rèn)定系統(tǒng)存在內(nèi)存泄漏，找出在四個(gè)快照中實(shí)例個(gè)數(shù)都保持增長(zhǎng)的類，這些類可以初步被認(rèn)定為存在泄漏。

　　分析與定位

　　通過上面的數(shù)據(jù)收集和初步分析，可以得出初步結(jié)論:系統(tǒng)是否存在內(nèi)存泄漏和哪些對(duì)象存在泄漏(被泄漏)，如果結(jié)論是存在泄漏，就可以進(jìn)入分析和定位階段了。

　　前面已經(jīng)談到Java中的內(nèi)存泄漏就是無意識(shí)的對(duì)象保持，簡(jiǎn)單地講就是因?yàn)榫幋a的錯(cuò)誤導(dǎo)致了一條本來不應(yīng)該存在的引用鏈的存在(從而導(dǎo)致了被引用的對(duì)象無法釋放)，因此內(nèi)存泄漏分析的任務(wù)就是找出這條多余的引用鏈，并找到其形成的原因。前面還講到過牽引對(duì)象，包括已經(jīng)加載的類的靜態(tài)變量和處于活動(dòng)線程的堆棧空間的變量。由于活動(dòng)線程的堆棧空間是迅速變化的，處于堆棧空間內(nèi)的牽引對(duì)象集合是迅速變化的，而作為類的靜態(tài)變量的牽引對(duì)象的集合在系統(tǒng)運(yùn)行期間是相對(duì)穩(wěn)定的。

　　對(duì)每個(gè)被泄漏的實(shí)例對(duì)象，必然存在一條從某個(gè)牽引對(duì)象出發(fā)到達(dá)該對(duì)象的引用鏈。處于堆棧空間的牽引對(duì)象在被從棧中彈出后就失去其牽引的能力，變?yōu)榉菭恳龑?duì)象，因此，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，被泄露的對(duì)象基本上都是被作為類的靜態(tài)變量的牽引對(duì)象牽引。

　　Profiler的內(nèi)存視圖除了堆視圖以外，還包括實(shí)例分配視圖(圖5)和實(shí)例引用圖(圖6)。

　　Profiler的實(shí)例引用圖為找出從牽引對(duì)象到泄漏對(duì)象的引用鏈提供了非常直接的方法，其界面的第二個(gè)欄目中顯示的就是從泄漏對(duì)象出發(fā)的逆向引用鏈。需要注意的是，當(dāng)一個(gè)類的實(shí)例存在泄漏時(shí)，并非其所有的實(shí)例都是被泄漏的，往往只有一部分是被泄漏對(duì)象，其它則是正常使用的對(duì)象，要判斷哪些是正常的引用鏈，哪些是不正常的引用鏈(引起泄漏的引用鏈)。通過抽取多個(gè)實(shí)例進(jìn)行引用圖的分析統(tǒng)計(jì)以后，可以找出一條或者多條從牽引對(duì)象出發(fā)的引用鏈，下面的任務(wù)就是找出這條引用鏈形成的原因。

　　實(shí)例分配圖提供的功能是對(duì)每個(gè)類的實(shí)例的分配位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，查看實(shí)例分配的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)于分析引用鏈的形成具有一定的作用，因?yàn)檎业椒峙滏溑c引用鏈的交點(diǎn)往往就可以找到了引用鏈形成的原因，下面將具體介紹。

　　
　　圖5 實(shí)例分配圖

　　
　　圖6 實(shí)例引用圖

　　設(shè)想一個(gè)實(shí)例對(duì)象a在方法f中被分配，最終被實(shí)例對(duì)象b所引用，下面來分析從b到a的引用鏈可能的形成原因。方法f在創(chuàng)建對(duì)象a后，對(duì)它的使用分為四種情況:1、將a作為返回值返回;2、將a作為參數(shù)調(diào)用其它方法;3、在方法內(nèi)部將a的引用傳遞給其它對(duì)象;4、其它情況。其中情況4不會(huì)造成由b到a的引用鏈的生成，不用考慮。下面考慮其它三種情況:對(duì)于1、2兩種情況，其造成的結(jié)果都是在另一個(gè)方法內(nèi)部獲得了對(duì)象a的引用，它的分析與方法f的分析完全一樣(遞歸分析);考慮第3種情況:1、假設(shè)方法f直接將對(duì)象a的引用加入到對(duì)象b，則對(duì)象b到a的引用鏈就找到了，分析結(jié)束;2、假設(shè)方法f將對(duì)象a的引用加入到對(duì)象c，則接下來就需要跟蹤對(duì)象c的使用，對(duì)象c的分析比對(duì)象a的分析步驟更多一些，但大體原理都是一樣的，就是跟蹤對(duì)象從創(chuàng)建后被使用的歷程，最終找到其被牽引對(duì)象引用的原因。

　　現(xiàn)在將泄漏對(duì)象的引用鏈以及引用鏈形成的原因找到了，內(nèi)存泄漏測(cè)試與分析的工作就到此結(jié)束，接下來的工作就是修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)或者實(shí)現(xiàn)中的錯(cuò)誤了。

　　總結(jié)

　　使用上述的測(cè)試和分析方法，在實(shí)踐中先后進(jìn)行了三次測(cè)試，找出了好幾處內(nèi)存泄漏錯(cuò)誤。系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，最初運(yùn)行1~2天就拋出內(nèi)存溢出異常，修改完成后，系統(tǒng)從未出現(xiàn)過內(nèi)存溢出異常。此方法適用于任何使用Java語言開發(fā)的、對(duì)穩(wěn)定性有比較高要求的軟件系統(tǒng)。