前言

本文涉及如下知识点：

HotSpot的垃圾处理机制

HashMap为什么存在内存泄漏问题

Java中的引用变量的存储位置

·　　最近在研究弱引用的时候，注意到了Java在内存管理时的细节，在这里给大家分享一下。

JVM中垃圾处理的机制

·　　垃圾处理的算法非常多，本博客只介绍使用最广的HotSpot虚拟机的垃圾回收算法。简单说来，其使用了可达性分析算法 ，通过选出一系列称为GC Roots的对象作为起点，当一个对象没有任何一条强引用链指向GC Roots时，则这个对象会被判定为可回收对象。弱引用不是本章讨论的重点，有兴趣的自行百度。

·　　在上图中，object5、6、7会被回收。
·　　显然，此算法最核心的部分在于GC Roots的选取，所以我们要关注在什么位置的对象才能成为GC Roots,在《深入理解JVM虚拟机》中给出了答案：

虚拟机栈中引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象
方法区中的常量对象
本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象

·这里不普及JVM的内存结构。

Java中引用类型的存储位置

·　　介绍可达性算法主要是为了给我下面的想法做铺垫。
·　　注意：以下的内容我没有从任何书籍和博客上看到明确的解答，所以仅是我个人的一些理解。

Java中的引用到底存在哪里?
·　　大部分人都认为，在java中，所有的引用都保存在栈中(虚拟机栈），而引用指向的对象实例则在堆里。我认为这是不准确的，如果一个对象实例中有另一个对象的引用，那么这个引用并非存在栈里，而是存在于堆中。
·　　下面给出我测试用的一段代码：
测试用类B：对象占用内存大小1MB

1
2
3

public class B {
    byte[] b = new byte[1024 * 1024];
}

测试用类A：占用内存大小2MB

public class A {
    public B b = new B();
    byte[] a = new byte[1024 * 1024];
}

测试代码：为了避免不必要的干扰，我在创建实例前先进行了一次垃圾回收。

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.gc();
        System.out.println("--------------");
        A a = new A();
        System.gc();
        System.out.println("--------------");
        a = null;
        System.gc();
        System.out.println("--------------");
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.gc();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

·　　结果猜测：显然，引用ａ是存在于栈中的，而ａ指向的实例Ａ，以及实例Ａ中创建的实例Ｂ存在于堆中。现在不确定的点在于：指向实例B的a.b这个引用是存在于栈中，还是堆中呢？众所周知，栈中的数据会随着方法的结束而被释放，如果方法不结束，其数据就不会释放，因此我用while(true){...}使main方法永远不会结束，且每5秒进行一次垃圾回收，看堆中的储存情况。

如果a.b保存在栈中，其就可作为GC Root存在，那么根据可达性算法，实例B永远不会被回收。
而如果a.b保存在堆中，一旦引用a被释放了，那么实例A和实例B就会如上图中的object5、6、7一样，被GC回收
根据以上两种理论，如果a.b保存在栈中，即使实例A被释放了，实例B也不会被释放，堆中至少有1MB的数据。而如果a.b保存在堆中，实例A和实例B都会被释放，堆中的数据至少会小于1MB。

以下是程序的运行结果：堆内存中可粗略地细分为新生代和老年代，这里就不扩展了。

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3333K->744K(38400K)] 3333K->752K(125952K), 0.0042393 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 744K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->673K(87552K)] 752K->673K(125952K), [Metaspace: 3479K->3479K(1056768K)], 0.0078916 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2713K->2176K(38400K)] 3386K->2849K(125952K), 0.0010460 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2176K->0K(38400K)] [ParOldGen: 673K->2718K(87552K)] 2849K->2718K(125952K), [Metaspace: 3485K->3485K(1056768K)], 0.0079493 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 
--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 665K->64K(38400K)] 3384K->2782K(125952K), 0.0003627 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 64K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2718K->670K(87552K)] 2782K->670K(125952K), [Metaspace: 3485K->3485K(1056768K)], 0.0039402 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(38400K)] 670K->670K(125952K), 0.0003178 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(38400K)] [ParOldGen: 670K->669K(87552K)] 670K->669K(125952K), [Metaspace: 3485K->3485K(1056768K)], 0.0066122 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.01 secs]

第一次GC时，堆中的内存被清理到只有673K，并且进入了老年代：[ParOldGen: 8K->673K(87552K)]。
第二次GC前，我们创建了对象a，在堆内存中占用了2MB：[PSYoungGen: 2713K->2176K(38400K)](~~这里不做细微的误差分析，因为我也不清楚gc到底干了什么~~ )。随后这2MB内存进入了老年代：[ParOldGen: 673K->2718K(87552K)]
第三次GC前，我们释放了实例A的链接，发现这2MB内存被释放了，老年代中仅剩原先的673K（可能有点误差）：[ParOldGen: 2718K->670K(87552K)]
第四次GC，因为堆中已经没有实例A、B所以此垃圾回收没有释放任何空间。
**总上所述：我认为类成员变量的引用必然在堆内存中。**

HashMap的内存泄漏问题

·　　有了上述问题的铺垫，我们可以正式聊一下HashMap中内存泄漏的问题，因为之前看ThreadLocal的源码才意识到了这个问题，实在是惭愧，话不多说，我先解释一下内存泄漏的原因：

首先要明确的一点是，Java中的参数都是按值传递的，即使是引用，在传递时也会生成引用的副本。
因此，HashMap的对象引用map在put(key，value)时，就会生成key，value引用的副本，我们姑且称为key'和value'。根据上面的理论，这个副本应该存在堆内存中。
当栈中的key引用被释放时，原来指向的实例KEY（姑且这么称呼），与栈中的map引用依然存在一条可达链：map —— HashMap实例 —— key’ —— KEY实例 这条强引用链。因此实例KEY不会被释放，虽然HashMap可以保存键为null的Entry，但是实例KEY我们就不会再用到了，而它迟迟不释放，就会造成内存泄漏的问题。

图示说明：可以很明显看出来KEY和VALUE有两条强引用链
代码验证
我们将类A稍作修改，让其不关联类B：
类A

public class A {
//    public B b = new B();
    byte[] a = new byte[1024 * 1024];
}

代码如下

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("0.--------------");
        System.gc();
        System.out.println("1.--------------");
        Map<A, B> map = new HashMap<>();
        A a = new A();
        B b = new B();
        System.gc();
        System.out.println("2.--------------");
        map.put(a,b);
        System.gc();
        System.out.println("3.--------------");
        a = null;
        System.gc();
        System.out.println("4.--------------");
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.gc();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

结果如下

0.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3333K->712K(38400K)] 3333K->720K(125952K), 0.0016227 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 712K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->629K(87552K)] 720K->629K(125952K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0074770 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
1.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3379K->2176K(38400K)] 4008K->2805K(125952K), 0.0012001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2176K->0K(38400K)] [ParOldGen: 629K->2676K(87552K)] 2805K->2676K(125952K), [Metaspace: 3226K->3226K(1056768K)], 0.0076292 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
2.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1996K->32K(38400K)] 4672K->2708K(125952K), 0.0005201 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2676K->2675K(87552K)] 2708K->2675K(125952K), [Metaspace: 3226K->3226K(1056768K)], 0.0076530 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
3.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1331K->96K(38400K)] 4007K->2771K(125952K), 0.0003721 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 96K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2675K->2677K(87552K)] 2771K->2677K(125952K), [Metaspace: 3229K->3229K(1056768K)], 0.0027659 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
4.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1331K->160K(38400K)] 4009K->2837K(125952K), 0.0005946 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 160K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2677K->2718K(87552K)] 2837K->2718K(125952K), [Metaspace: 3488K->3488K(1056768K)], 0.0065556 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]

结果分析：因为FullGC对线程的停顿时间比较长，未被回收的对象会进入老年代，而新生代中会被清0，因此为了方便，我们仅关注老年代的情况。

程序一开始先进行一次清理，避免不必要的干扰，老年代中有628K：[ParOldGen: 8K->629K(87552K)]。
随后，我们创建了HashMap实例，实例A和实例B，在这次的GC中，老年代中多了约2MB内存：[ParOldGen: 629K->2676K(87552K)]。
然后我们将实例A，B放进hashMap对象：map.put(a,b)，put操作会在堆内存中会有额外的开销（会新建一些对象用来进行put操作），因此新生代中会有新内存的使用（但很快就被清理掉了）：[PSYoungGen: 1996K->32K(38400K)]。我们通过观察老年代：[ParOldGen: 2676K->2675K(87552K)]，发现实际上这个put操作并没有为HashMap开辟新的内存空间，因为map仅仅只是把内部的引用指向了实例A, B而已。
这一步我们将栈中的引用a释放：a = null;，我们希望看到实例A被回收，但是GC并没有这样做，老年代中的值几乎没有变化：[ParOldGen: 2675K->2677K(87552K)]
为了避免意外，令线程沉睡5秒后，再次清理，发现实例A仍在堆内存中：[ParOldGen: 2677K->2718K(87552K)]，因此可以判断这造成了一定的内存泄漏。
事实上，HashMap中的某一个特定key很难被清理掉，因为用map.clear()会清理掉整个map。但是HashMap的内存泄漏一般不会很严重，因为只有在极少数情况下，我们才想去手动释放一个key。

再次证明内存泄漏的代码

·　　笔者不太会手动去真正释放HashMap的key，因此，我做了一个实验，先把类A关联上类B，但是不实例化这个B。

类A

public class A {
    public B b;
    byte[] a = new byte[1024 * 1024];
}

实验步骤

实例化A,B得引用a，b，并把a.b = b
令 b = null, 再令a.b = null，比较内存变化情况
再令 a = null，查看内存

实验代码

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("0.--------------");
        System.gc();
        System.out.println("1.--------------");
        A a = new A();
        B b = new B();
        System.gc();
        System.out.println("2.--------------");
        a.b = b;
        System.gc();
        System.out.println("3.--------------");
        b = null;
        System.gc();
        System.out.println("4.--------------");
        a.b = null;
        System.gc();
        System.out.println("5.--------------");
        a = null;
        System.gc();
        System.out.println("--------------");
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.gc();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

结果如下

0.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3333K->776K(38400K)] 3333K->784K(125952K), 0.0013798 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 776K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->673K(87552K)] 784K->673K(125952K), [Metaspace: 3482K->3482K(1056768K)], 0.0198551 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.02 secs] 
1.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2713K->2144K(38400K)] 3387K->2817K(125952K), 0.0047306 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2144K->0K(38400K)] [ParOldGen: 673K->2718K(87552K)] 2817K->2718K(125952K), [Metaspace: 3487K->3487K(1056768K)], 0.0091880 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
2.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1331K->32K(38400K)] 4050K->2750K(125952K), 0.0003588 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2718K->2718K(87552K)] 2750K->2718K(125952K), [Metaspace: 3487K->3487K(1056768K)], 0.0080175 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
3.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 665K->32K(38400K)] 3383K->2750K(125952K), 0.0004018 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2718K->2718K(87552K)] 2750K->2718K(125952K), [Metaspace: 3487K->3487K(1056768K)], 0.0037897 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
4.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 665K->32K(38400K)] 3383K->2750K(125952K), 0.0005433 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 2718K->1694K(87552K)] 2750K->1694K(125952K), [Metaspace: 3487K->3487K(1056768K)], 0.0051309 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
5.--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 665K->32K(38400K)] 2359K->1726K(125952K), 0.0045968 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 1694K->670K(87552K)] 1726K->670K(125952K), [Metaspace: 3488K->3488K(1056768K)], 0.0044260 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
--------------
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 665K->32K(38400K)] 1335K->702K(125952K), 0.0003409 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 32K->0K(38400K)] [ParOldGen: 670K->670K(87552K)] 702K->670K(125952K), [Metaspace: 3488K->3488K(1056768K)], 0.0030132 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.00 secs]

结果分析

程序一开始先进行一次清理，避免不必要的干扰，老年代中有673K：[ParOldGen: 8K->673K(87552K)]。
创建了实例A,B后，老年代中多了2MB：[ParOldGen: 673K->2718K(87552K)]
将实例A与实例B关联a.b = b后，堆内存无变化：[ParOldGen: 2718K->2718K(87552K)]
令栈中的引用b=null，发现内存不释放：[ParOldGen: 2718K->2718K(87552K)]，这与HashMap的内存泄漏完全一致
此时，我们释放掉a.b对实例B的引用a.b = null，发现实例B被清理了：[ParOldGen: 2718K->1694K(87552K)]，但是实例A仍然占用了1MB的堆内存。
随后我们再次释放引用a = null，发现此时实例A也被清理了：[ParOldGen: 1694K->670K(87552K)]
这个实验证明了：GC Root与实例B之间确实有强引用链，而这个强引用链是类A成员变量类B的引用提供的

总结

·　　Java的内存管理机制还是很巧妙的，相比C++方便了很多，越往后面学发现这些底层的东西才是java的灵魂的所在啊。

交流

请联系邮箱：chenxingyu@bupt.edu.cn

前言

JVM中垃圾处理的机制

Java中引用类型的存储位置

HashMap的内存泄漏问题

代码验证

再次证明内存泄漏的代码

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