Java高效编程（7）：消除过时的对象引用
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在从手动管理内存的语言（如C或C++）转向垃圾回收语言（如Java）时，程序员的工作变得容易得多，因为对象在不再使用时会被自动回收。然而，这种自动回收机制并不意味着程序员可以完全忽视内存管理。实际上，错误地保留对象引用（即过时引用）可能导致严重的内存泄漏问题。尽管Java具备垃圾回收功能，但程序员依然需要对内存管理保持警惕。
内存泄漏的隐患
考虑下面这个简单的栈实现：
// 存在"内存泄漏"的问题
public class SimpleStack {
private Object[] elements;
private int size = 0;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
public SimpleStack() {
elements = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
}
public void push(Object item) {
ensureCapacity();
elements[size++] = item;
}
public Object pop() {
if (size == 0) throw new EmptyStackException();
return elements[--size];
}
private void ensureCapacity() {
if (elements.length == size) {
elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
}
}
}
表面上，这段代码似乎没有问题，甚至可以通过所有的测试，但实际上它存在一个隐蔽的内存泄漏。当栈增长并随后缩小时，被弹出的元素不会被垃圾回收，因为这些弹出的对象引用依然保留在 elements 数组中。这些引用已不再需要，但依然存在，形成了“过时的对象引用”。
过时的对象引用是指那些程序永远不会再引用的对象。栈中 size 以下的元素仍然有效，而 size 以上的元素则已经无效，应该被垃圾回收。然而，Java 的垃圾回收器并不清楚这些无效的对象引用，认为它们仍然有效。结果是，栈类的内存使用逐渐增加，影响性能，甚至可能导致 OutOfMemoryError 异常。
解决方法：手动清理过时引用
为了解决这个问题，应该在弹出元素时将对应的数组位置置为 null。如下所示：
public Object pop() {
if (size == 0) throw new EmptyStackException();
Object result = elements[--size];
elements[size] = null; // 清除过时的对象引用
return result;
}
通过将弹出的元素位置置为 null，程序显式告诉垃圾回收器，这些对象引用已经无效，可以被回收。这样不仅提高了内存管理效率，还增加了程序的健壮性。如果将来的代码误引用了这些已清理的对象引用，会立即抛出 NullPointerException，而不是导致难以察觉的错误。
何时应该清理对象引用
虽然在本例中需要手动清理引用，但这并不意味着每个对象引用都需要立即清理。滥用 null 赋值会让代码变得杂乱无章，不利于维护。一般来说，只有当类自己管理内存时（例如栈类），才需要主动清除过时引用。对于大多数情况下，定义变量时将它们的作用范围限制在最窄的作用域（详见【条目57】），变量在离开作用域后会自动消失，不再需要显式地将其置为 null。
其他内存泄漏来源
缓存
缓存是另一个常见的内存泄漏来源。一旦将对象引用放入缓存中，程序员很容易忘记它的存在，导致对象在缓存中长期驻留，即使它们已不再有用。一个解决方案是使用 WeakHashMap 来表示缓存，当键的外部引用消失时，缓存条目会自动被移除。WeakHashMap 只适用于缓存条目生命周期由键的外部引用决定的情况。
在更多情况下，缓存条目的生命周期并不固定，条目会随着时间的推移变得不再有价值。这时可以通过定期清理缓存来避免内存泄漏。这种清理可以由后台线程执行（例如使用 ScheduledThreadPoolExecutor），也可以作为添加新条目时的副作用。LinkedHashMap 提供了 removeEldestEntry 方法来支持这种机制。如果需要更复杂的缓存管理，可能需要直接使用 java.lang.ref 类进行控制。
监听器和回调
监听器和回调机制也是常见的内存泄漏来源。当客户端注册了回调而没有显式地取消注册时，这些回调对象可能会不断累积。一个解决方案是只存储它们的弱引用，例如使用 WeakHashMap 来存储回调。当没有其他外部引用时，回调对象会自动被垃圾回收。
如何发现内存泄漏
内存泄漏通常不会表现为显而易见的错误，它们可能在系统中存在多年，直到系统性能出现显著下降。一般情况下，内存泄漏是通过仔细的代码审查或借助堆内存分析工具（如 heap profiler）才得以发现。因此，预见这些问题并在编码时主动避免它们，是非常值得学习的技能。
总结
尽管 Java 具备垃圾回收机制，但程序员仍需要对内存管理保持警觉，特别是当类管理自己的内存时。通过及时清理过时的对象引用，可以防止内存泄漏，避免性能下降和内存溢出等问题。常见的内存泄漏来源包括栈、缓存和回调机制，使用弱引用、定期清理或缩小变量作用域都是有效的解决方案。内存管理不仅影响性能，也关乎代码的长期稳定性。