Java 消除过期的对象引用详解

　　如果你从使用手动内存管理的语言（如 C 或 C++）切换到像 Java 这样的带有垃圾收集机制的语言，那么作为程序员的工作就会变得容易多了，因为你的对象在使用完毕以后就自动回收了。当你第一次体验它的时候，它就像魔法一样。这很容易让人觉得你不需要考虑内存管理，但这并不完全正确。

　　考虑以下简单的栈实现：

// 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);
    }
}

　　这个程序没有什么明显的错误（但是对于泛型版本，请参阅条目 29）。 你可以对它进行详尽的测试，它都会成功地通过每一项测试，但有一个潜在的问题。 笼统地说，程序有一个「内存泄漏」，由于垃圾回收器的活动的增加，或内存占用的增加，静默地表现为性能下降。 在极端的情况下，这样的内存泄漏可能会导致磁盘分页（disk paging），甚至导致内存溢出（OutOfMemoryError）的失败，但是这样的故障相对较少。

　　那么哪里发生了内存泄漏？ 如果一个栈增长后收缩，那么从栈弹出的对象不会被垃圾收集，即使使用栈的程序不再引用这些对象。 这是因为栈维护对这些对象的过期引用（obsolete references）。 过期引用简单来说就是永远不会解除的引用。 在这种情况下，元素数组「活动部分（active portion）」之外的任何引用都是过期的。 活动部分是由索引下标小于 size 的元素组成。

　　垃圾收集语言中的内存泄漏（更适当地称为无意的对象保留 unintentional object retentions）是隐蔽的。 如果无意中保留了对象引用，那么不仅这个对象排除在垃圾回收之外，而且该对象引用的任何对象也是如此。 即使只有少数对象引用被无意地保留下来，也可以阻止垃圾回收机制对许多对象的回收，这对性能产生很大的影响。

　　这类问题的解决方法很简单：一旦对象引用过期，将它们设置为 null。 在我们的 Stack 类的情景下，只要从栈中弹出，元素的引用就设置为过期。 pop 方法的修正版本如下所示：

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

　　取消过期引用的另一个好处是，如果它们随后被错误地引用，程序立即抛出 NullPointerException 异常，而不是悄悄地做继续做错误的事情。尽可能快地发现程序中的错误是有好处的。

　　当程序员第一次被这个问题困扰时，他们可能会在程序结束后立即清空所有对象引用。这既不是必要的，也不是可取的；它不必要地搞乱了程序。清空对象引用应该是例外而不是规范。消除过期引用的最好方法是让包含引用的变量超出范围。如果在最近的作用域范围内定义每个变量 （详见第 57 条），这种自然就会出现这种情况。

　　那么什么时候应该清空一个引用呢？Stack 类的哪个方面使它容易受到内存泄漏的影响？简单地说，它管理自己的内存。存储池（storage pool）由 elements 数组的元素组成（对象引用单元，而不是对象本身）。数组中活动部分的元素 (如前面定义的) 被分配，其余的元素都是空闲的。垃圾收集器没有办法知道这些；对于垃圾收集器来说，elements 数组中的所有对象引用都同样有效。只有程序员知道数组的非活动部分不重要。程序员可以向垃圾收集器传达这样一个事实，一旦数组中的元素变成非活动的一部分，就可以手动清空这些元素的引用。

　　一般来说，当一个类自己管理内存时，程序员应该警惕内存泄漏问题。 每当一个元素被释放时，元素中包含的任何对象引用都应该被清除。

　　另一个常见的内存泄漏来源是缓存。 一旦将对象引用放入缓存中，很容易忘记它的存在，并且在它变得无关紧要之后，仍然保留在缓存中。对于这个问题有几种解决方案。如果你正好想实现了一个缓存：只要在缓存之外存在对某个项（entry）的键（key）引用，那么这项就是明确有关联的，就可以用 WeakHashMap 来表示缓存；这些项在过期之后自动删除。记住，只有当缓存中某个项的生命周期是由外部引用到键（key）而不是值（value）决定时，WeakHashMap 才有用。

　　更常见的情况是，缓存项有用的生命周期不太明确，随着时间的推移一些项变得越来越没有价值。在这种情况下，缓存应该偶尔清理掉已经废弃的项。这可以通过一个后台线程 (也许是 ScheduledThreadPoolExecutor) 或将新的项添加到缓存时顺便清理。LinkedHashMap 类使用它的 removeEldestEntry 方法实现了后一种方案。对于更复杂的缓存，可能直接需要使用 java.lang.ref。

　　第三个常见的内存泄漏来源是监听器和其他回调。如果你实现了一个 API，其客户端注册回调，但是没有显式地撤销注册回调，除非采取一些操作，否则它们将会累积。确保回调是垃圾收集的一种方法是只存储弱引用（weak references），例如，仅将它们保存在 WeakHashMap 的键（key）中。

　　因为内存泄漏通常不会表现为明显的故障，所以它们可能会在系统中保持多年。 通常仅在仔细的代码检查或借助堆分析器（heap profiler）的调试工具才会被发现。 因此，学习如何预见这些问题，并防止这些问题发生，是非常值得的。