Java程序內(nèi)存使用分析技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件所解決的問題日益復(fù)雜，軟件的功能、結(jié)構(gòu)和行為的復(fù)雜性不斷增加，使得大規(guī)模框架密集型應(yīng)用程序得到廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用程序通常結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)類庫和特定領(lǐng)域的第三方框架。雖然類庫和框架的使用簡化了開發(fā)工作，但調(diào)用這些類庫和框架的通用API的代價(jià)可能是非常昂貴的。程序員在軟件開發(fā)過程中往往過多關(guān)注于系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，忽視對程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將性能優(yōu)化的任務(wù)交給運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，導(dǎo)致因不合理的內(nèi)存使用所導(dǎo)致的內(nèi)存問題在軟

2、件中廣泛存在。軟件復(fù)雜性的增加對軟件分析和測試過程中理解軟件的內(nèi)存行為和檢測內(nèi)存使用問題提出了新的挑戰(zhàn)。對于現(xiàn)代軟件系統(tǒng)而言，如何快速理解軟件的內(nèi)存行為，準(zhǔn)確檢測出軟件中的內(nèi)存使用問題對于保證軟件質(zhì)量具有重要意義。
　　目前，軟件內(nèi)存使用分析已經(jīng)在國內(nèi)外被大量學(xué)者廣泛研究：一方面，通過程序分析技術(shù)研究程序中各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的依賴關(guān)系，借助這些信息識別程序中的不合理的設(shè)計(jì)；另一方面，通過充分的測試用例測試獲取足量的動態(tài)執(zhí)行信息，對程

3、序的執(zhí)行信息采用特征分析或統(tǒng)計(jì)分析的方法研究程序的內(nèi)存使用。但是，已有的這些方法依然存在一些問題。主要表現(xiàn)在：（1）資源開銷較大。Java程序執(zhí)行過程中涉及大量對象的創(chuàng)建和使用，包含復(fù)雜的對象引用關(guān)系，使得一些方法在內(nèi)存使用分析過程中需要大量的資源開銷；（2）提供的診斷信息有限。一些方法的診斷信息只能提供與內(nèi)存使用相關(guān)的類級別信息，診斷信息較為抽象。此外，檢測報(bào)告缺乏與問題相關(guān)的上下文信息，難以輔助調(diào)試人員進(jìn)行問題理解和問題修復(fù)；（3）

4、診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高。已有研究方法往往通過內(nèi)存使用問題的某一特征點(diǎn)進(jìn)行問題的識別，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性較低。針對以上問題，本文進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的研究：
　　（1）設(shè)計(jì)了一種基于對象引用關(guān)系的Java程序內(nèi)存行為分析方法。與傳統(tǒng)的依據(jù)內(nèi)存消耗的大小確定程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性并分析相關(guān)內(nèi)存行為的方法不同，該方法同時(shí)考慮內(nèi)存消耗和內(nèi)存支配兩個(gè)因素來確定一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序內(nèi)存行為中的重要性，通過研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間在內(nèi)存使用上的支配

5、關(guān)系和對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行引用分析，得到程序中重要的內(nèi)存行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法對程序中重要內(nèi)存行為的分析具備良好的效果。
　?。?）設(shè)計(jì)了一種基于內(nèi)存使用傳播分析的Java內(nèi)存低效使用檢測方法。與原有的通過檢測程序中消耗內(nèi)存較多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并分析其內(nèi)存使用合理性的方法不同，該方法首先獲取程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存使用信息，并將其抽象為內(nèi)存使用傳播圖（Memory Usage Propagation Graph, MUPG），以此提供程序完整的

6、內(nèi)存行為；其次通過對MUPG包含的內(nèi)存使用信息進(jìn)行特征分析識別，檢測和確定程序中的內(nèi)存低效使用問題；最后依據(jù)MUPG提供的上下文路徑信息分析導(dǎo)致問題產(chǎn)生的根本原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在內(nèi)存低效使用問題檢測上具有較好的效果。
　　本課題設(shè)計(jì)了兩種程序內(nèi)存使用分析技術(shù)以幫助軟件開發(fā)人員對Java程序的內(nèi)存使用進(jìn)行分析，揭示潛在的內(nèi)存低效使用問題，并找出導(dǎo)致這些問題產(chǎn)生的根源。雖然這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都是針對Java程序進(jìn)行，但我們相信提供的