JVM 内存溢出、泄漏与引用

1、引用概述

　　在栈上的reference类型存储的数据代表某块内存地址，称reference为某内存、某对象的引用。实际上引用分为很多种，从强到弱分为：强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用。平常我们使用的引用实际上是强引用，各种引用有自己的特点，强引用就是Java中普通的对象，而软引用、弱引用、虚引用在JDK中定义的类分别是SoftReference、WeakReference、PhantomReference。

　　下图是软引用、弱引用、虚引用、引用队列（搭配虚引用使用）之间的继承关系：

          

2、内存溢出与泄漏

　　为了更清除的描述引用之间的作用，首先需要介绍一下内存溢出和内存泄漏。

　　当发生内存溢出时，表示JVM没有空闲内存为新对象分配空间，抛出OutOfMemoryError(OOM)。

　　当应用程序占用内存速度大于垃圾回收内存速度时就可能发生OOM，抛出OOM之前通常会进行Full GC，如果进行Full GC后依旧内存不足才抛出OOM。

　　JVM参数-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails。

       

　　内存溢出可能发生的两种情况：

1. 必须的资源确实很大，堆内存设置太小 （通过-Xmx来调整）

2. 发生内存泄漏，创建大量对象，且生命周期长，不能被回收

　　内存泄漏Memory Leak: 对象不会被程序用到了，但是不能回收它们。对象不再使用并且不能回收就会一直占用空间，大量对象发生内存泄漏可能发生内存溢出OOM

　　广义内存泄漏：不正确的操作导致对象生命周期变长

1. 单例中引用外部对象，当这个外部对象不用了，但是因为单例还引用着它导致内存泄漏
2. 一些需要关闭的资源未关闭导致内存泄漏

3、引用的分类

3.1、强引用

　　强引用是程序代码中普遍存在的引用赋值，比如List list = new ArrayList();

　　只要强引用在可达性分析算法中可达时，垃圾收集器就不会回收该对象，因此不当的使用强引用是造成Java内存泄漏的主要原因。

3.2、软引用

　　当内存充足时不会回收软引用；只有当内存不足时，发生Full GC时才将软引用进行回收，如果回收后还没充足内存则抛出OOM异常。

　　JVM中针对不同的区域（年轻代、老年代、元空间）有不同的GC方式，Full GC的回收区域为整个堆和元空间。

　　软引用使用SoftReference

 //-Xms5m -Xmx5m -XX:+PrintGCDetails
 public class SoftReferenceTest {
     public static void main(String[] args) {
         int[] list = new int[10];
         SoftReference listSoftReference = new SoftReference(list);
         list = null;
 ​
         //[I@61bbe9ba
         System.out.println(listSoftReference.get());
 ​
         //模拟空间资源不足
         try{
             byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 4];
             System.gc();
         }catch (Exception e){
             e.printStackTrace();
         }finally {
             //null
             System.out.println(listSoftReference.get());
         }
     }
 }

3.3、弱引用

　　无论内存是否足够，当发生GC时都会对弱引用进行回收。

　　弱引用使用WeakReference

public static void test1() {
         WeakReference<int[]> weakReference = new WeakReference<>(new int[1]);
         //[I@511d50c0
         System.out.println(weakReference.get());
 ​
         System.gc();
         
         //null
         System.out.println(weakReference.get());
     }

　　JDK中有一个WeakHashMap，使用与Map相同，只不过节点为弱引用。

      

　　当key的引用不存在引用的情况下，发生GC时，WeakHashMap中该键值对就会被删除。

public static void test2() {
         WeakHashMap<String, String> weakHashMap = new WeakHashMap<>();
         HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();
 ​
         String s1 = new String("3.jpg");
         String s2 = new String("4.jpg");
 ​
         hashMap.put(s1, "图片1");
         hashMap.put(s2, "图片2");
         weakHashMap.put(s1, "图片1");
         weakHashMap.put(s2, "图片2");
 ​
         //只将s1赋值为空时,堆中的3.jpg字符串还会存在强引用,所以要remove
         hashMap.remove(s1);
         s1=null;
         s2=null;
 ​
         System.gc();
 ​
         //4.jpg=图片2
         test2Iteration(hashMap);
 ​
         //4.jpg=图片2
         test2Iteration(weakHashMap);
     }
 ​
     private static void test2Iteration(Map<String, String>  map){
         Iterator iterator = map.entrySet().iterator();
         while (iterator.hasNext()){
            Map.Entry entry = (Map.Entry) iterator.next();
             System.out.println(entry);
         }
     }

　　上面没有显示删除weakHashMap中的该key，但当这个key没有其他地方引用时就删除该键值对。

软引用、弱引用的使用场景

　　数据量很大占用内存过多可能造成内存溢出的场景。

　　比如需要加载大量数据，全部加载到内存中可能造成内存溢出，就可以使用软引用、弱引用来充当缓存，当内存不足时，JVM对这些数据进行回收。

　　使用软引用时，可以自定义Map进行存储Map<String,SoftReference<XXX>> cache。

　　使用弱引用时，则可以直接使用WeakHashMap。

　　软引用与弱引用的区别则是GC回收的时机不同，软引用存活可能更久，Full GC下才回收；而弱引用存活可能更短，发生GC就会回收。

3.4、虚引用

 　　使用 PhantomReference 创建虚引用，需要搭配引用队列 ReferenceQueue 使用，无法通过虚引用得到该对象实例（其他引用都可以得到实例）。

　　虚引用只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个通知。

public class PhantomReferenceTest {
     private static PhantomReferenceTest reference;
     private static ReferenceQueue queue;
 ​
     @Override
     protected void finalize() throws Throwable {
         super.finalize();
         System.out.println("调用finalize方法");
         //搭上引用链
         reference = this;
     }
 ​
     public static void main(String[] args) {
         reference = new PhantomReferenceTest();
         //引用队列
         queue = new ReferenceQueue<>();
         //虚引用
         PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomReference = new PhantomReference<>(reference, queue);
         
         Thread thread = new Thread(() -> {
             PhantomReference<PhantomReferenceTest> r = null;
             while (true) {
                 if (queue != null) {
                     r = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) queue.poll();
                     //说明被回收了,得到通知
                     if (r != null) {
                         System.out.println("实例被回收");
                     }
                 }
             }
         });
         thread.setDaemon(true);
         thread.start();
 ​
 ​
         //null (获取不到虚引用)
         System.out.println(phantomReference.get());
 ​
         try {
             System.out.println("第一次gc 对象可以复活");
             reference = null;
             //第一次GC 引用不可达 守护线程执行finalize方法 重新变为可达对象
             System.gc();
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
             if (reference == null) {
                 System.out.println("object is dead");
             } else {
                 System.out.println("object is alive");
             }
             reference = null;
             System.out.println("第二次gc 对象死了");
             //第二次GC 不会执行finalize方法 不能再变为可达对象
             System.gc();
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
             if (reference == null) {
                 System.out.println("object is dead");
             } else {
                 System.out.println("object is alive");
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
 ​
     }
 }

　　输出结果：

/*
 null
 第一次gc 对象可以复活
 调用finalize方法
 object is alive
 第二次gc 对象死了
 实例被回收
 object is dead
 */

　　第一次GC时，守护线程执行finalize方法让虚引用重新可达，所以没死。

　　第二次GC时，不再执行finalize方法，虚引用已死。

　　虚引用回收后，引用队列有数据，来通知告诉我们 reference 这个对象被回收了。

虚引用使用场景：

　　GC只能回收堆内内存，而直接内存GC是无法回收的，直接内存代表的对象创建一个虚引用，加入引用队列，当这个直接内存不使用，这个代表直接内存的对象为空时，这个虚内存就死了，然后引用队列会产生通知，就可以通知JVM去回收堆外内存（直接内存）。

4、总结

　　当JVM没有足够的内存为新对象分配空间时就会发生内存溢出抛出OOM

　　内存溢出有两种情况，一种是分配的资源太少，不满足必要对象的内存；另一种是发生内存泄漏，不合理的设置对象的生命周期、不关闭资源都会导致内存泄漏

　　使用最常见的就是强引用，强引用只有在可达性分析算法中不可达时才会回收，强引用使用不当是造成内存泄漏的原因之一

　　使用SoftReference软引用时，只要内存不足触发Full GC时就会对软引用进行回收

　　使用WeakReference弱引用时，只要发生GC就会对弱引用进行回收

　　软、弱引用可以用来充当大数据情况下的缓存，它们的区别就是软引用可能活的更久Full GC才回收，使用弱引用时可以直接使用JDK中提供的WeakHashMap

　　虚引用无法在程序中获取，与引用队列搭配使用，当虚引用被回收时，能够从引用队列中取出（感知），可以在直接引用不使用时，发出消息让JVM进行回收