Java 中 7 个潜在的内存泄露风险

旧城等待， 2021-09-07 06:19 211阅读 0赞

虽然Java程序员不用像C/C++程序员那样时刻关注内存的使用情况，JVM会帮我们处理好这些，但并不是说有了GC就可以高枕无忧，内存泄露相关的问题一般在测试的时候很难发现，一旦上线流量起来可能马上就是一个诡异的线上故障。

## 1. 内存泄露的定义 ##

如果GC无法回收内存中不再使用的对象，则定义为内存有泄露

## 2. 未关闭的资源类 ##

当我们在程序中打开一个新的流或者是新建一个网络连接的时候，JVM都会为这些资源类分配内存做缓存，常见的资源类有网络连接，数据库连接以及IO流。值得注意的是，如果在业务处理中异常，则有可能导致程序不能执行关闭资源类的代码，因此最好按照下面的做法处理资源类

public void handleResource() {
        try {
            // open connection
            // handle business
        } catch (Throwable t) {
            // log stack
        } finally {
            // close connection
        }
    }

## 3. 未正确实现`equals()`和`hashCode()` ##

假如有下面的这个类

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

并且如果在程序中有下面的操作

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

可以预见，这个单元测试并不能通过，原因是`Person`类没有实现`equals`方法，因此使用`Object`的`equals`方法，直接比较实体对象的地址，所以`map.size() == 100`

如果我们改写`Person`类的代码如下所示：

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;
        }
    }

则上文中的单元测试就可以顺利通过了，需要注意的是这个场景比较隐蔽，一定要在平时的代码中注意。

## 4. 非静态内部类 ##

要知道，所有的非静态类别类都持有外部类的引用，因此某些情况如果引用内部类可能延长外部类的生命周期，甚至持续到进程结束都不能回收外部类的空间，这类内存溢出一般在Android程序中比较多，只要`MyAsyncTask`处于运行状态`MainActivity`的内存就释放不了，很多时候安卓开发者这样做只是为了在内部类中拿到外部类的属性，殊不知，此时内存已经泄露了。

public class MainActivity extends Activity {
        @Override
        protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
            super.onCreate(savedInstanceState);
            setContentView(R.layout.main);
            new MyAsyncTask().execute();
        }
    
        private class MyAsyncTask extends AsyncTask {
            @Override
            protected Object doInBackground(Object[] params) {
                return doSomeStuff();
            }
            private Object doSomeStuff() {
                //do something to get result
                return new MyObject();
            }
        }
    }

## 5. 重写了`finalize()`的类 ##

如果运行下面的这个例子，则最终程序会因为OOM的原因崩溃

public class Finalizer {
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
        while (true) {
               Thread.yield();
          }
      }
    
    public static void main(String str[]) {
      while (true) {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                Finalizer force = new Finalizer();
            }
       }
     }
    }

JVM对重写了`finalize()`的类的处理稍微不同，首先会针对这个类创建一个`java.lang.ref.Finalizer`类，并让`java.lang.ref.Finalizer`持有这个类的引用，在上文中的例子中，因为`Finalizer`类的引用被`java.lang.ref.Finalizer`持有，所以他的实例并不能被Young GC清理，反而会转入到老年代。在老年代中，JVM GC的时候会发现`Finalizer`类只被`java.lang.ref.Finalizer`引用，因此将其标记为可GC状态，并放入到`java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue`这个队列中。等到所有的Finalizer类都加到队列之后，JVM会起一个后台线程去清理`java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue`中的对象，之后这个后台线程就专门负责清理`java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue`中的对象了。这个设计看起来是没什么问题的，但其实有个坑，那就是负责清理`java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue`的后台线程优先级是比较低的，并且系统没有提供可以调节这个线程优先级的接口或者配置。因此当我们在使用使用重写`finalize()`方法的对象时，千万不要瞬间产生大量的对象，要时刻谨记，JVM对此类对象的处理有特殊逻辑。

## 6. 针对长字符串调用`String.intern()` ##

如果提前在`src/test/resources/large.txt`中写入大量字符串，并且在Java 1.6及以下的版本运行下面程序，也将得到一个OOM

@Test
    public void givenLengthString_whenIntern_thenOutOfMemory()
      throws IOException, InterruptedException {
        String str 
          = new Scanner(new File("src/test/resources/large.txt"), "UTF-8")
          .useDelimiter("\\A").next();
        str.intern();
        
        System.gc(); 
        Thread.sleep(15000);
    }

原因是在Java 1.6及以下，字符串常量池是处于JVM的`PermGen`区的，并且在程序运行期间不会GC，因此产生了OOM。在Java 1.7以及之后字符串常量池转移到了`HeapSpace`此类问题也就无需再关注了

## 7. `ThreadLocal`的误用 ##

ThreadLocal一定要列在Java内存泄露的榜首，总能在不知不觉中将内存泄露掉，一个常见的例子是：

@Test
    public void testThreadLocalMemoryLeaks() {
        ThreadLocal<List<Integer>> localCache = new ThreadLocal<>();
       List<Integer> cacheInstance = new ArrayList<>(10000);
        localCache.set(cacheInstance);
        localCache = new ThreadLocal<>();
    }

当`localCache`的值被重置之后`cacheInstance`被`ThreadLocalMap`中的`value`引用，无法被GC，但是其`key`对`ThreadLocal`实例的引用是一个弱引用，本来`ThreadLocal`的实例被`localCache`和`ThreadLocalMap`的`key`同时引用，但是当`localCache`的引用被重置之后，则`ThreadLocal`的实例只有`ThreadLocalMap`的`key`这样一个弱引用了，此时这个实例在GC的时候能够被清理。

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其实看过`ThreadLocal`源码的同学会知道，`ThreadLocal`本身对于`key`为`null`的`Entity`有自清理的过程，但是这个过程是依赖于后续对`ThreadLocal`的继续使用，假如上面的这段代码是处于一个秒杀场景下，会有一个瞬间的流量峰值，这个流量峰值也会将集群的内存打到高位(或者运气不好的话直接将集群内存打满导致故障)，后面由于峰值流量已过，对`ThreadLocal`的调用也下降，会使得`ThreadLocal`的自清理能力下降，造成内存泄露。`ThreadLocal`的自清理实现是锦上添花，千万不要指望它雪中送碳。

## 8. 类的静态变量 ##

Tomcat对在网络容器中使用ThreadLocal引起的内存泄露做了一个总结，详见：https://cwiki.apache.org/confluence/display/tomcat/MemoryLeakProtection，这里我们列举其中的一个例子。

熟悉`Tomcat`的同学知道，Tomcat中的web应用由`webapp classloader`这个类加载器的，并且`webapp classloader`是破坏双亲委派机制实现的，即所有的web应用先由`webapp classloader`加载，这样的好处就是可以让同一个容器中的web应用以及依赖隔离。

下面我们看具体的内存泄露的例子：

public class MyCounter {
     private int count = 0;
    
     public void increment() {
      count++;
     }
    
     public int getCount() {
      return count;
     }
    }
    
    public class MyThreadLocal extends ThreadLocal<MyCounter> {
    }
    
    public class LeakingServlet extends HttpServlet {
     private static MyThreadLocal myThreadLocal = new MyThreadLocal();
    
     protected void doGet(HttpServletRequest request,
       HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
    
      MyCounter counter = myThreadLocal.get();
      if (counter == null) {
       counter = new MyCounter();
       myThreadLocal.set(counter);
      }
    
      response.getWriter().println(
        "The current thread served this servlet " + counter.getCount()
          + " times");
      counter.increment();
     }
    }

需要注意这个例子中的两个非常关键的点：

*  `MyCounter`以及`MyThreadLocal`必须放到web应用的路径中，保被`webapp classloader`加载
 *  ThreadLocal类一定得是ThreadLocal的继承类，比如例子中的MyThreadLocal，因为ThreadLocal本来被`common classloader`加载，其生命周期与tomcat容器一致。ThreadLocal的继承类包括比较常见的`NamedThreadLocal`，注意不要踩坑。

假如`LeakingServlet`所在的web应用启动，`MyThreadLocal`类也会被`webapp classloader`加载，如果此时web应用下线，而线程的生命周期未结束(比如为`LeakingServlet`提供服务的线程是一个线程池中的线程)，那会导致`myThreadLocal`的实例仍然被这个线程引用，而不能被GC，期初看来这个带来的问题也不大，因为`myThreadLocal`所引用的对象占用的内存空间不太多，问题在于`myThreadLocal`间接持有加载web应用的`webapp classloader`的引用（通过`myThreadLocal.getClass().getClassLoader()`可以引用到），而加载web应用的`webapp classloader`有持有它加载的所有类的引用，这就引起了`classloader`泄露，它泄露的内存就非常可观了。

参考文献：

1.  https://www.baeldung.com/java-memory-leaks
2.  https://cwiki.apache.org/confluence/display/tomcat/MemoryLeakProtection

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