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第7項(xiàng)：清除過期對(duì)象的引用

stormgens / 2510人閱讀

摘要：具有垃圾收集功能的編程語言中的內(nèi)存泄漏更恰當(dāng)?shù)胤Q為無意識(shí)的對(duì)象保留是隱蔽的。清空對(duì)象引用應(yīng)該是一種例外，而不是一種規(guī)范行為。消除過期引用最好的方法是讓包含該引用的變量結(jié)束其生命周期。

??當(dāng)你從手工管理內(nèi)存的語言(比如C或者C++)轉(zhuǎn)換到具有垃圾回收功能的語言的時(shí)候，程序猿的工作就會(huì)變得更加容易，因?yàn)楫?dāng)你用完了對(duì)象之后，他們就會(huì)被自動(dòng)回收。當(dāng)你第一次經(jīng)歷對(duì)象回收功能的時(shí)候，會(huì)覺得這簡(jiǎn)直有點(diǎn)不可思議。這很容易給你留下這樣的印象，認(rèn)為自己不再需要考慮內(nèi)存管理的事情了，其實(shí)不然。

??考慮下面這個(gè)簡(jiǎn)單的棧實(shí)現(xiàn)的例子：

// Can you spot the "memory leak"?
public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }
    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }
    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elements[--size];
    }
    /**
     * Ensure space for at least one more element, roughly
     * doubling the capacity each time the array needs to grow.
     */
    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}

??這個(gè)程序沒有明顯的錯(cuò)誤(它的通用版本請(qǐng)見29項(xiàng))。無論如何測(cè)試，它都會(huì)成功地通過每一項(xiàng)測(cè)試，但是這個(gè)程序中隱藏著一個(gè)問題。簡(jiǎn)而言之，改程序存在“內(nèi)存泄漏”，由于垃圾收集器的活動(dòng)增加或者內(nèi)存占用增加，程序性能的降低會(huì)逐漸表現(xiàn)出來。在極端的情況下，這種內(nèi)存泄漏會(huì)導(dǎo)致磁盤分頁(Disk Paging)，甚至導(dǎo)致程序失敗并出現(xiàn)OutOfMemoryError，但這種失敗情形相對(duì)比較少見。

??那么，程序中哪里發(fā)生了內(nèi)存泄漏呢？如果一個(gè)棧先是增長(zhǎng)，然后再收縮，那么，從棧中彈出來的對(duì)象將不會(huì)被當(dāng)做垃圾回收，即使使用棧的程序不再引用這些對(duì)象，它們也不會(huì)回收，因?yàn)椋瑮?nèi)部維護(hù)著對(duì)這些對(duì)象的過期引用(obsolete references)，所謂的過期引用，是指永遠(yuǎn)也不會(huì)再被解除的引用。在本例中，凡是在element數(shù)組的“活動(dòng)部分”(active portion)之外的任何引用都是過期的。活動(dòng)部分是指element中下標(biāo)小于size的那些元素。

??具有垃圾收集功能的編程語言中的內(nèi)存泄漏(更恰當(dāng)?shù)胤Q為無意識(shí)的對(duì)象保留)是隱蔽的。如果無意中保留了對(duì)象引用，則不僅將該對(duì)象從垃圾回收中排除，而且該對(duì)象引用的任何對(duì)象也是如此，依此類推。即使無意中保留了少量對(duì)象引用，也會(huì)阻止許多對(duì)象被垃圾回收器收集，對(duì)性能可能產(chǎn)生很大影響。

??這類問題的修復(fù)方法很簡(jiǎn)單：一旦對(duì)象引用已經(jīng)過期，只需要清空這些引用即可。對(duì)于上述例子中的Stack類而言，只要一個(gè)單元被彈出棧，指向它的引用就過期了，pop方法的修訂版本如下所示：

public Object pop() {
    if (size == 0)
        throw new EmptyStackException();
    Object result = elements[--size];
    elements[size] = null; // Eliminate obsolete reference
    return result;
}

??清空過期引用的另一個(gè)好處是，如果它們以后又被錯(cuò)誤地解除引用，程序就會(huì)立即拋出NullPointerException異常，而不是悄悄地錯(cuò)誤運(yùn)行下去。盡快檢測(cè)出程序中的錯(cuò)誤總是有益的。

??當(dāng)程序員第一次被類似這樣的問題困擾的時(shí)候，它們往往會(huì)過分小心：對(duì)于每一個(gè)對(duì)象的引用，一旦程序不再用到它，就把它清空。其實(shí)這樣做即沒必要，也不是我們所期望的，因?yàn)檫@樣做會(huì)把程序代碼弄得很亂。清空對(duì)象引用應(yīng)該是一種例外，而不是一種規(guī)范行為。消除過期引用最好的方法是讓包含該引用的變量結(jié)束其生命周期。如果你是在最緊湊的作用域范圍內(nèi)定義每一個(gè)變量(第57項(xiàng))，這種情形就會(huì)自然而然地發(fā)生。

??那么，何時(shí)應(yīng)該清空引用呢？Stack類的哪方面特性使它易于遭受內(nèi)存泄漏的影響呢？簡(jiǎn)而言之，問題在于，Stack類自己管理內(nèi)存(manage its own memory)、存儲(chǔ)池(storage pool)包含了elements數(shù)組(對(duì)象引用單元，而不是對(duì)象本身)的元素。數(shù)組活動(dòng)區(qū)域(同前面的定義)中的元素是已分配的(allocated)，而數(shù)組其余部分的元素則是自由的(free)。但是垃圾回收器無法知道這一點(diǎn)；對(duì)于垃圾回收器而言，elements數(shù)組中的所有對(duì)象引用都同等有效。只有程序猿知道數(shù)組的非活動(dòng)部分是不重要的。程序猿可以把這個(gè)情況告知垃圾回收器，做法很簡(jiǎn)單：一旦數(shù)組元素變成了非活動(dòng)部分的一部分，程序猿就手動(dòng)清空這些數(shù)組元素。

??通常來說，只要類是自己管理內(nèi)存，程序猿就應(yīng)該警惕內(nèi)存泄漏問題。一旦元素被釋放掉，則該元素中包含的任何對(duì)象引用都應(yīng)該被清空。

??內(nèi)存泄漏的另一個(gè)常見來源是緩存。一旦你把對(duì)象引用放到緩存中，它就很容易被遺忘掉，從而使得它在很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有使用，但是卻仍然留在緩存中。對(duì)于這個(gè)問題，這里有好幾種解決方案。如果你正好要實(shí)現(xiàn)這樣的緩存，只要在緩存之外存在對(duì)某個(gè)項(xiàng)的鍵的引用，該項(xiàng)就有意義，那么就可以用WeakHashMap代表緩存，當(dāng)緩存中的項(xiàng)過期之后，它們就會(huì)自動(dòng)被刪除。記住只有當(dāng)所要的緩存項(xiàng)的生命周期是由該鍵的外部引用而不是由值決定時(shí)，WeakHashMap才有用處。

??更為常見的情形則是，“緩存項(xiàng)的生命周期是否有意義”并不是很容易確定，隨著時(shí)間的推移，其中的項(xiàng)會(huì)變得越來越?jīng)]有價(jià)值。在這種情況下，緩存應(yīng)該時(shí)不時(shí)地清除掉沒用的項(xiàng)。這項(xiàng)清除工作可以由一個(gè)后臺(tái)線程(可能是Timer或者ScheduledThreadPoolExecutor)來完成，或者也可以在給緩存添加新項(xiàng)的時(shí)候順便進(jìn)行清理。LinkedHashMap類利用它的removeEldestEntry方法可以很容易地實(shí)現(xiàn)后一種方案。對(duì)于更加復(fù)雜的緩存，必須直接使用java.lang.ref。

??內(nèi)存泄漏的第三個(gè)常見來源是監(jiān)聽器和其他回調(diào)。如果你實(shí)現(xiàn)了一個(gè)API，客戶端在這個(gè)API中注冊(cè)回調(diào)，卻沒有顯示地取消注冊(cè)，那么除非你采取某些動(dòng)作，否則他們就會(huì)積累下來。確?；卣{(diào)立即被當(dāng)做垃圾回收的最佳方法是只保存他們的弱引用(weak reference)，例如，只將它們保存成WeakHashMap中的鍵。

??由于內(nèi)存泄漏通常不會(huì)表現(xiàn)出明顯的失敗跡象，所以他們可以在一個(gè)系統(tǒng)中存在很多年。往往只有通過仔細(xì)檢查代碼，或者借助于Heap剖析工具(Heap Profiler)才能發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題。因此，如果能在內(nèi)存泄漏發(fā)生之前就知道如何預(yù)測(cè)此類問題，并阻止它們發(fā)生，那是最好不過的了。

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