面试必问：手写一个内存泄漏的程序

手写一个内存泄露的程序是面试官经常问的问题。

造成内存泄漏，就是让运行的程序无法访问存储在内存中的对象，下面是Java实现：

1. 创建一个长时间运行的线程（使用线程池泄露的速度更快）。
2. 线程通过ClassLoader加载某个类（也可以用自定义ClassLoader）。
3. 这个类分配了大量内存（例如new byte[1000000]），赋给静态字段存储对它的强引用，然后在ThreadLocal中存储对自身的引用。还可以分配额外的内存，这样泄漏的速度更快（其实只要泄漏Class实例就足够了）。
4. 这个线程会清除所有自定义类及加载它的ClassLoader的引用。
5. 重复执行。

这个方法之所以奏效，是因为ThreadLocal保留了对该对象的引用，对象引用保留了对Class的引用，而Class引用又保留了对ClassLoader的引用。反过来，ClassLoader会保留通过它加载的所有类的引用。

（在许多JVM实现中情况更糟，尤其Java 7之前版本。因为Class和ClassLoader会直接分配到permgen中，GC不进行回收）。但是，无论JVM如何处理类卸载，ThreadLocal仍然会阻止被回收的Class对象）。

这种方案还可以变化为，频繁地重新部署碰巧用到ThreadLocal的应用程序。这时像Tomcat这样的应用程序容器会像筛子一样泄漏内存。（因为应用程序容器会像上面那样启动线程，并且每次重新部署应用程序时，都会使用新的ClassLoader）

ClassLoaderLeakExample.java

import java.io.IOException;
import java.net.URLClassLoader;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.Path;

/**
 * ClassLoader泄漏演示
 *
 * <p>要查看实际运行效果，请将此文件复制到某个临时目录，
 * 然后运行：
 * <pre>{@code
 *   javac ClassLoaderLeakExample.java
 *   java -cp .ClassLoaderLeakExample
 * }</pre>
 *
 * <p>可以看到内存不断增加！在我的系统上，使用JDK 1.8.0_25，开始
 * 短短几秒钟就收到了OutofMemoryErrors
 *
 * <p>这个类用到了一些Java 8功能，主要用于
 * I/O 操作同样的原理可以适用于
 * Java 1.2以后的任何Java版本
 */
public final class ClassLoaderLeakExample {

  static volatile boolean running = true;

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread thread = new LongRunningThread();
    try {
      thread.start();
      System.out.println("Running, press any key to stop.");
      System.in.read();
    } finally {
      running = false;
      thread.join();
    }
  }

  /**
   * 线程的实现只是循环调用
   * {@link #loadAndDiscard()}
   */
  static final class LongRunningThread extends Thread {
    @Override public void run() {
      while(running) {
        try {
          loadAndDiscard();
        } catch (Throwable ex) {
          ex.printStackTrace();
        }
        try {
          Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException ex) {
          System.out.println("Caught InterruptedException, shutting down.");
          running = false;
        }
      }
    }
  }
  
  /**
   * 这是一个简单的ClassLoader实现，只能加载一个类
   * 即LoadedInChildClassLoader类.这里需要解决一些麻烦
   * 必须确保每次得到一个新的类
   * (而非系统class loader提供的
   * 重用类).如果此子类所在JAR文件不在系统的classpath中,
   * 不需要这么麻烦.
   */
  static final class ChildOnlyClassLoader extends ClassLoader {
    ChildOnlyClassLoader() {
      super(ClassLoaderLeakExample.class.getClassLoader());
    }
    
    @Override protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
      if (!LoadedInChildClassLoader.class.getName().equals(name)) {
        return super.loadClass(name, resolve);
      }
      try {
        Path path = Paths.get(LoadedInChildClassLoader.class.getName()
            + ".class");
        byte[] classBytes = Files.readAllBytes(path);
        Class<?> c = defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);
        if (resolve) {
          resolveClass(c);
        }
        return c;
      } catch (IOException ex) {
        throw new ClassNotFoundException("Could not load " + name, ex);
      }
    }
  }
  
  /**
   * Helper方法会创建一个新的ClassLoader, 加载一个类,
   * 然后丢弃对它们的所有引用.从理论上讲，应该不会影响GC
   * 因为没有引用可以逃脱该方法! 但实际上，
   * 结果会像筛子一样泄漏内存.
   */
  static void loadAndDiscard() throws Exception {
    ClassLoader childClassLoader = new ChildOnlyClassLoader();
    Class<?> childClass = Class.forName(
        LoadedInChildClassLoader.class.getName(), true, childClassLoader);
    childClass.newInstance();
    // 该方法返回时，将无法访问
    // childClassLoader或childClass的引用，
    // 但是这些对象仍会成为GC Root!
  }

  /**
   * 一个看起来人畜无害的类，没有做什么特别的事情.
   */
  public static final class LoadedInChildClassLoader {
    // 获取一些bytes.对于泄漏不是必需的，
    // 只是让效果出得更快一些.
    // 注意：这里开始真正泄露内存，这些bytes
    // 每次迭代都为这个final静态字段创建了!
    static final byte[] moreBytesToLeak = new byte[1024 * 1024 * 10];
  
    private static final ThreadLocal<LoadedInChildClassLoader> threadLocal
        = new ThreadLocal<>();
    
    public LoadedInChildClassLoader() {
      // 在ThreadLocal中存储对这个类的引用
      threadLocal.set(this);
    }
  }
}