深入理解Java垃圾回收机制以及内存泄漏

前言

在segmentfault上看到一个问题：java有完善的GC机制，那么在java中是否会出现内存泄漏的问题，以及能否给出一个内存泄漏的案例。本问题视图给出此问题的完整答案。

垃圾回收机制简介

在程序运行过程中，每创建一个对象都会被分配一定的内存用以存储对象数据。如果只是不停的分配内存，那么程序迟早面临内存不足的问题。所以在任何语言中，都会有一个内存回收机制来释放过期对象的内存，以保证内存能够被重复利用。

内存回收机制按照实现角色的不同可以分为两种，一种是程序员手动实现内存的释放（比如C语言）另一种则是语言内建的内存回收机制比如本文将要介绍的java垃圾回收机制。

Java的垃圾回收机制

在程序的运行时环境中，java虚拟机提供了一个系统级的垃圾回收（GC，Carbage Collection）线程，它负责回收失去引用的对象占用的内存。理解GC的前提是理解一些和垃圾回收相关的概念，下文一一介绍这些概念。

对象在jvm堆区的状态

Java对象的实例存储在jvm的堆区，对于GC线程来说，这些对象有三种状态。

1. 可触及状态：程序中还有变量引用，那么此对象为可触及状态。

2. 可复活状态：当程序中已经没有变量引用这个对象，那么此对象由可触及状态转为可复活状态。CG线程将在一定的时间准备调用此对象的finalize方法（finalize方法继承或重写子Object），finalize方法内的代码有可能将对象转为可触及状态，否则对象转化为不可触及状态。

3. 不可触及状态：只有当对象处于不可触及状态时，GC线程才能回收此对象的内存。

GC为了能够正确释放对象，必须监控每一个对象的运行状态，包括对象的申请、引用、被引用、赋值等，GC都需要进行监控，所以无论一个对象处于上文中的任何状态GC都会知道。

上文说到，GC线程会在一定的时间执行可复活状态对象的finalize方法，那么何时执行呢？由于不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC，所以在任何时候，开发者无法预料GC线程进行各项操作（包括检测对象状态、释放对象内存、调用对象的finalize方法）的时机。虽然可以通过System.gc()和Runtime.gc()函数提醒GC线程尽快进行垃圾回收操作，但是这也无法保证GC线程马上就会进行相应的回收操作。

内存泄露

内存泄漏指由于错误的设计造成程序未能释放已经不再使用的内存，造成资源浪费。GC会自动清理失去引用的对象所占用的内存。但是，由于程序设计错误而导致某些对象始终被引用，那么将会出现内存泄漏。

比如下面的例子。使用数组实现了一个栈，有入栈和出栈两个操作。

import com.sun.javafx.collections.ElementObservableListDecorator;
import com.sun.swing.internal.plaf.metal.resources.metal_sv;

import java.beans.ExceptionListener;
import java.util.EmptyStackException;

/**
* Created by peng on 14-9-21.
*/
public class MyStack {
 private Object[] elements;
 private int Increment = 10;
 private int size = 0;

public MyStack(int size) {
   elements = new Object[size];
 }

//入栈
 public void push(Object o) {
   capacity();
   elements[size++] = o;
 }

//出栈
 public Object pop() {
   if (size == 0)
     throw new EmptyStackException();
   return elements[--size];
 }

//增加栈的容量
 private void capacity() {
   if (elements.length != size)
     return;
   Object[] newArray = new Object[elements.length + Increment];
   System.arraycopy(elements, 0, newArray, 0, size);
 }

public static void main(String[] args) {
   MyStack stack = new MyStack(100);
   for (int i = 0; i < 100; i++)
     stack.push(new Integer(i));
   for (int i = 0; i < 100; i++) {
     System.out.println(stack.pop().toString());
   }
 }
}

这个程序是可用的，支持常用的入栈和出栈操作。但是，有一个问题没有处理好，就是当出栈操作的时候，并没有释放数组中出栈元素的引用，这导致程序将一直保持对这个Object的引用（此object由数组引用）,GC永远认为此对象是可触及的，也就更加谈不上释放其内存了。这就是内存泄漏的一个典型案例。针对此，修改后的代码为：

//出栈
 public Object pop() {
   if (size == 0)
     throw new EmptyStackException();
   Object o = elements[--size];
   elements[size] = null;
   return o;
 }