摘 要 穩定性是衡量軟件系統質量的重要指標，內存洩漏是破壞系統穩定性的重要因素。由於采用垃圾回收機制，Java語言的內存洩漏的模式與C++等語言相比有很大的不同。全文通過與C++中的內存洩漏問題進行對比，講述了Java內存洩漏的基本原理，以及如何借助Optimizeit profiler工具來測試內存洩漏和分析內存洩漏的原因，在實踐中證明這是一套行之有效的方法。
關鍵詞 Java; 內存洩漏; GC(垃圾收集器) 引用; Optimizeit
問題的提出
筆者曾經參與開發的網管系統，系統規模龐大，涉及上百萬行代碼。系統主要采用Java語言開發，大體上分為客戶端、服務器和數據庫三個層次。在版本進入測試和試用的過程中，現場人員和測試部人員紛紛反映:系統的穩定性比較差，經常會出現服務器端運行一晝夜就死機的現象，客戶端跑死的現象也比較頻繁地發生。對於網管系統來講，經常性的服務器死機是個比較嚴重的問題，因為頻繁的死機不僅可能導致前後台數據不一致，發生錯誤，更會引起用戶的不滿，降低客戶的信任度。因此，服務器端的穩定性問題必須盡快解決。
解決思路
通過察看服務器端日志，發現死機前服務器端頻繁拋出OutOfMemoryException內存溢出錯誤，因此初步把死機的原因定位為內存洩漏引起內存不足，進而引起內存溢出錯誤。如何查找引起內存洩漏的原因呢?有兩種思路:第一種，安排有經驗的編程人員對代碼進行走查和分析，找出內存洩漏發生的位置;第二種，使用專門的內存洩漏測試工具Optimizeit進行測試。這兩種方法都是解決系統穩定性問題的有效手段，使用內存測試工具對於已經暴露出來的內存洩漏問題的定位和解決非常有效;但是軟件測試的理論也告訴我們，系統中永遠存在一些沒有暴露出來的問題，而且，系統的穩定性問題也不僅僅只是內存洩漏的問題，代碼走查是提高系統的整體代碼質量乃至解決潛在問題的有效手段。基於這樣的考慮，我們的內存穩定性工作決定采用代碼走查結合測試工具的使用，雙管齊下，爭取比較徹底地解決系統的穩定性問題。
在代碼走查的工作中，安排了對系統業務和開發語言工具比較熟悉的開發人員對應用的代碼進行了交叉走查，找出代碼中存在的數據庫連接聲明和結果集未關閉、代碼冗余和低效等故障若干，取得了良好的效果，文中主要講述結合工具的使用對已經出現的內存洩漏問題的定位方法。
內存洩漏的基本原理
在C++語言程序中，使用new操作符創建的對象，在使用完畢後應該通過delete操作符顯示地釋放，否則，這些對象將占用堆空間，永遠沒有辦法得到回收，從而引起內存空間的洩漏。如下的簡單代碼就可以引起內存的洩漏:
void function(){
Int[] vec = new int[5];
}
在function()方法執行完畢後，vec數組已經是不可達對象，在C++語言中，這樣的對象永遠也得不到釋放，稱這種現象為內存洩漏。
而Java是通過垃圾收集器(Garbage Collection，GC)自動管理內存的回收，程序員不需要通過調用函數來釋放內存，但它只能回收無用並且不再被其它對象引用的那些對象所占用的空間。在下面的代碼中，循環申請Object對象，並將所申請的對象放入一個Vector中，如果僅僅釋放對象本身，但是因為Vector仍然引用該對象，所以這個對象對GC來說是不可回收的。因此，如果對象加入到Vector後，還必須從Vector中刪除，最簡單的方法就是將Vector對象設置為null。
Vector v = new Vector(10);
for (int i = 1; i < 100; i++)
{
Object o = new Object();
v.add(o);
o = null;
}//此時，所有的Object對象都沒有被釋放，因為變量v引用這些對象。
實際上無用，而還被引用的對象，GC就無能為力了(事實上GC認為它還有用)，這一點是導致內存洩漏最重要的原因。
Java的內存回收機制可以形象地理解為在堆空間中引入了重力場，已經加載的類的靜態變量和處於活動線程的堆棧空間的變量是這個空間的牽引對象。這裡牽引對象是指按照Java語言規范，即便沒有其它對象保持對它的引用也不能夠被回收的對象，即Java內存空間中的本原對象。當然類可能被去加載，活動線程的堆棧也是不斷變化的，牽引對象的集合也是不斷變化的。對於堆空間中的任何一個對象，如果存在一條或者多條從某個或者某幾個牽引對象到該對象的引用鏈，則就是可達對象，可以形象地理解為從牽引對象伸出的引用鏈將其拉住，避免掉到回收池中;而其它的不可達對象由於不存在牽引對象的拉力，在重力的作用下將掉入回收池。在圖1中，A、B、C、D、E、F六個對象都被牽引對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三個對象由於失去牽引，在重力的作用下掉入回收池(被回收)，D對象也是同樣的原因掉入回收池，而F對象仍然存在一個牽引鏈(TR3-E-F)，所以不會被回收，如圖2、3所示。
圖1 初始狀態
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四個對象被回收
通過前面的介紹可以看到，由於采用了垃圾回收機制，任何不可達對象都可以由垃圾收集線程回收。因此通常說的Java內存洩漏其實是指無意識的、非故意的對象引用，或者無意識的對象保持。無意識的對象引用是指代碼的開發人員本來已經對對象使用完畢，卻因為編碼的錯誤而意外地保存了對該對象的引用(這個引用的存在並不是編碼人員的主觀意願)，從而使得該對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為是被“洩漏了”。
這裡通過一個例子來演示Java的內存洩漏。假設有一個日志類Logger，其提供一個靜態的log(String msg)方法，任何其它類都可以調用Logger.Log(message)來將message的內容記錄到系統的日志文件中。Logger類有一個類型為HashMap的靜態變量temp，每次在執行log(message)方法的時候，都首先將message的值丟入temp中(以當前線程+當前時間為鍵)，在方法退出之前再從temp中將以當前線程和當前時間為鍵的條目刪除。注意，這裡當前時間是不斷變化的，所以log方法在退出之前執行刪除條目的操作並不能刪除方法執行之初丟入的條目。這樣，任何一個作為參數傳給log方法的字符串最終由於被Logger的靜態變量temp引用，而無法得到回收，這種違背實現者主觀意圖的無意識的對象保持就是我們所說的Java內存洩漏。
鑒別洩漏對象的方法
一般說來，一個正常的系統在其運行穩定後其內存的占用量是基本穩定的，不應該是無限制的增長的，同樣，對任何一個類的對象的使用個數也有一個相對穩定的上限，不應該是持續增長的。根據這樣的基本假設，我們可以持續地觀察系統運行時使用的內存的大小和各實例的個數，如果內存的大小持續地增長，則說明系統存在內存洩漏，如果某個類的實例的個數持續地增長，則說明這個類的實例可能存在洩漏情況。
Optimizeit是Borland公司的產品，主要用於協助對軟件系統進行代碼優化和故障診斷，其功能眾多，使用方便，其中的OptimizeIt Profiler主要用於內存洩漏的分析。Profiler的堆視圖(如圖4)就是用來觀察系統運行使用的內存大小和各個類的實例分配的個數的，其界面如圖四所示，各列自左至右分別為類名稱、當前實例個數、自上個標記點開始增長的實例個數、占用的內存空間的大小、自上次標記點開始增長的內存的大小、被釋放的實例的個數信息、自上次標記點開始增長的內存的大小被釋放的實例的個數信息，表的最後一行是匯總數據，分別表示目前JVM中的對象實例總數、實例增長總數、內存使用總數、內存使用增長總數等。
在實踐中，可以分別在系統運行四個小時、八個小時、十二個小時和二十四個小時時間點記錄當時的內存狀態(即抓取當時的內存快照，是工具提供的功能，這個快照也是供下一步分析使用)，找出實例個數增長的前十位的類，記錄下這十個類的名稱和當前實例的個數。在記錄完數據後，點擊Profiler中右上角的Mark按鈕，將該點的狀態作為下一次記錄數據時的比較點。
圖4 Profiler 堆視圖
系統運行二十四小時以後可以得到四個內存快照。對這四個內存快照進行綜合分析，如果每一次快照的內存使用都比上一次有增長，可以認定系統存在內存洩漏，找出在四個快照中實例個數都保持增長的類，這些類可以初步被認定為存在洩漏。
分析與定位
通過上面的數據收集和初步分析，可以得出初步結論:系統是否存在內存洩漏和哪些對象存在洩漏(被洩漏)，如果結論是存在洩漏，就可以進入分析和定位階段了。
前面已經談到Java中的內存洩漏就是無意識的對象保持，簡單地講就是因為編碼的錯誤導致了一條本來不應該存在的引用鏈的存在(從而導致了被引用的對象無法釋放)，因此內存洩漏分析的任務就是找出這條多余的引用鏈，並找到其形成的原因。前面還講到過牽引對象，包括已經加載的類的靜態變量和處於活動線程的堆棧空間的變量。由於活動線程的堆棧空間是迅速變化的，處於堆棧空間內的牽引對象集合是迅速變化的，而作為類的靜態變量的牽引對象的集合在系統運行期間是相對穩定的。
對每個被洩漏的實例對象，必然存在一條從某個牽引對象出發到達該對象的引用鏈。處於堆棧空間的牽引對象在被從棧中彈出後就失去其牽引的能力，變為非牽引對象，因此，在長時間的運行後，被洩露的對象基本上都是被作為類的靜態變量的牽引對象牽引。
Profiler的內存視圖除了堆視圖以外，還包括實例分配視圖(圖5)和實例引用圖(圖6)。
Profiler的實例引用圖為找出從牽引對象到洩漏對象的引用鏈提供了非常直接的方法，其界面的第二個欄目中顯示的就是從洩漏對象出發的逆向引用鏈。需要注意的是，當一個類的實例存在洩漏時，並非其所有的實例都是被洩漏的，往往只有一部分是被洩漏對象，其它則是正常使用的對象，要判斷哪些是正常的引用鏈，哪些是不正常的引用鏈(引起洩漏的引用鏈)。通過抽取多個實例進行引用圖的分析統計以後，可以找出一條或者多條從牽引對象出發的引用鏈，下面的任務就是找出這條引用鏈形成的原因。
實例分配圖提供的功能是對每個類的實例的分配位置進行統計，查看實例分配的統計結果對於分析引用鏈的形成具有一定的作用，因為找到分配鏈與引用鏈的交點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 實例分配圖
圖6 實例引用圖
設想一個實例對象a在方法f中被分配，最終被實例對象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在創建對象a後，對它的使用分為四種情況:1、將a作為返回值返回;2、將a作為參數調用其它方法;3、在方法內部將a的引用傳遞給其它對象;4、其它情況。其中情況4不會造成由b到a的引用鏈的生成，不用考慮。下面考慮其它三種情況:對於1、2兩種情況，其造成的結果都是在另一個方法內部獲得了對象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、假設方法f直接將對象a的引用加入到對象b，則對象b到a的引用鏈就找到了，分析結束;2、假設方法f將對象a的引用加入到對象c，則接下來就需要跟蹤對象c的使用，對象c的分析比對象a的分析步驟更多一些，但大體原理都是一樣的，就是跟蹤對象從創建後被使用的歷程，最終找到其被牽引對象引用的原因。
現在將洩漏對象的引用鏈以及引用鏈形成的原因找到了，內存洩漏測試與分析的工作就到此結束，接下來的工作就是修改相應的設計或者實現中的錯誤了。
總結
使用上述的測試和分析方法，在實踐中先後進行了三次測試，找出了好幾處內存洩漏錯誤。系統的穩定性得到很大程度的提高，最初運行1~2天就拋出內存溢出異常，修改完成後，系統從未出現過內存溢出異常。此方法適用於任何使用Java語言開發的、對穩定性有比較高要求的軟件系統。
