彻底理解JVM常考题之分级引用模型

Posted 2021-04-18 Hollis

本文通过探析Java中的引用模型，分析比较强引用、软引用、弱引用、虚引用的概念及使用场景，知其然且知其所以然，希望给大家在实际开发实践、学习开源项目提供参考。

Java的引用

对于Java中的垃圾回收机制来说，对象是否被应该回收的取决于该对象是否被引用。因此，引用也是JVM进行内存管理的一个重要概念。Java中是JVM负责内存的分配和回收，这是它的优点（使用方便，程序不用再像使用C语言那样担心内存），但同时也是它的缺点（不够灵活）。由此，Java提供了引用分级模型，可以定义Java对象重要性和优先级，提高JVM内存回收的执行效率。

软引用对象和弱应用对象主要用于：当内存空间还足够，则能保存在内存之中；如果内存空间在垃圾收集之后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的使用场景。

而虚引用对象用于替代不靠谱的finalize方法，可以获取对象的回收事件，来做资源清理工作。

对象生命周期

无分级引用对象生命周期

前面提到，分层引用的模型是用于内存回收，没有分级引用对象下，一个对象从创建到回收的生命周期可以简单地用下图概括：对象被创建，被使用，有资格被收集，最终被收集，阴影区域表示对象“强可达”时间：

对象生命周期(无分级引用)

有分级引用对象生命周期

JDK1.2引入java.lang.ref程序包之后，对象的生命周期多了3个阶段，软可达，弱可达，虚可达，这些状态仅适用于符合垃圾回收条件的对象，这些对象处于非强引用阶段，而且需要基于java.lang.ref包中的相关的引用对象类来指示标明。

• 软可达
  软可达对象用SoftReference来指示标明，并没有强引用，垃圾回收器会尽可能长时间地保留对象，但是会在抛出OutOfMemoryError异常之前收集它。

• 弱可达
  弱可达对象用WeakReference来指示标明，并没有强引用或软引用，垃圾回收器会随时回收对象，并不会尝试保留它，但是会在抛出OutOfMemoryError异常之前收集它。
  在对象回收阶段中，该对象在major collection期间被回收，但是可以在minor collection期间存活

• 虚可达
  虚可达对象用PhantomReference来指示标明，它已经被标记选中进行垃圾回收并且它的finalizer(如果有)已经运行。在这种情况下，术语“可达”实际上是用词不当，因为您无法访问实际对象。

对象生命周期(有分级引用)

对象生命周期图中添加三个新的可选状态会造成一些困惑。逻辑顺序上是从强可达到软，弱和虚，最终到回收，但实际的情况取决于程序创建的参考对象。但如果创建WeakReference但不创建SoftReference，则对象直接从强可达到弱到达最终到收集。

强引用

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，比如下面这段代码中的obj和str都是强引用：

Object obj = new Object();
String str = "hello world";

只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象，即使在内存不足的情况下，JVM即使抛出OutOfMemoryError异常也不会回收这种对象。

实际使用上，可以通过把引用显示赋值为null来中断对象与强引用之前的关联，如果没有任何引用执行对象，垃圾收集器将在合适的时间回收对象。

例如ArrayList类的remove方法中就是通过将引用赋值为null来实现清理工作的：

    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

引用对象

介绍软引用、弱引用和虚引用之前，有必要介绍一下引用对象，

引用对象是程序代码和其他对象之间的间接层，称为引用对象。每个引用对象都围绕对象的引用构造，并且不能更改引用值。

引用对象提供get()来获得其引用值的一个强引用，垃圾收集器可能随时回收引用值所指的对象。
一旦对象被回收，get()方法将返回null，要正确使用引用对象，下面使用SoftReference(软引用对象)作为参考示例：

    /**
     * 简单使用demo
     */
    private static void simpleUseDemo(){
        List<String> myList = new ArrayList<>();
        SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

        List<String> list = refObj.get();
        if (null != list) {
            list.add("hello");
        } else {
            // 整个列表已经被垃圾回收了，做其他处理
        }
    }

也就是说，使用时：

• 1、必须经常检查引用值是否为null
  垃圾收集器可能随时回收引用对象，如果轻率地使用引用值，迟早会得到一个NullPointerException。

• 2、必须使用强引用来指向引用对象返回的值
  垃圾收集器可能在任何时间回收引用对象，即使在一个表达式中间。

    /**
     * 正确使用引用对象demo
     */
    private static void trueUseRefObjDemo(){
        List<String> myList = new ArrayList<>();
        SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

        // 正确的使用，使用强引用指向对象保证获得对象之后不会被回收
        List<String> list = refObj.get();
        if (null != list) {
            list.add("hello");
        } else {
            // 整个列表已经被垃圾回收了，做其他处理
        }
    }

    /**
     * 错误使用引用对象demo
     */
    private static void falseUseRefObjDemo(){
        List<String> myList = new ArrayList<>();
        SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

        // XXX 错误的使用，在检查对象非空到使用对象期间，对象可能已经被回收
        // 可能出现空指针异常
        if (null != refObj.get()) {
            refObj.get().add("hello");
        }
    }

• 3、必须持有引用对象的强引用
  如果创建引用对象，没有持有对象的强引用，那么引用对象本身将被垃圾收集器回收。

• 4、当引用值没有被其他强引用指向时，软引用、弱引用和虚引用才会发挥作用，引用对象的存在就是为了方便追踪并高效垃圾回收。

软引用、弱引用和虚引用

引用对象的3个重要实现类位于java.lang.ref包下，分别是软引用SoftReference、弱引用WeakReference和虚引用PhantomReference。

软引用

软引用用来描述一些还有用但非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生抛出OutOfMemoryError异常之前，将会把这些对象列入回收范围之内进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出OutOfMemoryError异常。在JDK1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用。

下面是一个使用示例：

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftRefDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SoftReference<String> sr = new SoftReference<>( new String("hello world "));
        // hello world
        System.out.println(sr.get());
    }
}

JDK文档中提到：软引用适用于对内存敏感的缓存：每个缓存对象都是通过访问的 SoftReference，如果JVM决定需要内存空间，那么它将清除回收部分或全部软引用对应的对象。如果它不需要空间，则SoftReference指示对象保留在堆中，并且可以通过程序代码访问。在这种情况下，当它们被积极使用时，它们被强引用，否则会被软引用。如果清除了软引用，则需要刷新缓存。

实际使用上，要除非缓存的对象非常大，每个数量级为几千字节，才值得考虑使用软引用对象。例如：实现一个文件服务器，它需要定期检索相同的文件，或者需要缓存大型对象图。如果对象很小，必须清除很多对象才能产生影响，那么不建议使用，因为清除软引用对象会增加整个过程的开销。

弱引用

弱引用也是用来描述非必需对象，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发送之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。

在JDK1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。

    /**
     * 简单使用弱引用demo
     */
    private static void simpleUseWeakRefDemo(){
        WeakReference<String> sr = new WeakReference<>(new String("hello world " ));
        // before gc -> hello world 
        System.out.println("before gc -> " + sr.get());

        // 通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.gc();
        // after gc -> null
        System.out.println("after gc -> " + sr.get());
    }

可以看到被弱引用关联的对象，在gc之后被回收掉。
有意思的地方是，如果把上面代码中的：

WeakReference<String> sr = new WeakReference<>(new String("hello world "));

改为

WeakReference<String> sr = new WeakReference<>("hello world ");

程序将输出

before gc -> hello world 
after gc -> hello world 

这是因为使用Java的String直接赋值和使用new区别在于：

• new 会在堆区创建一个可以被正常回收的对象。

• String直接赋值，会在Java StringPool(字符串常量池)里创建一个String对象，存于pergmen(永生代区)中，通常不会被gc回收。

WeakHashMap
为了更方便使用弱引用，Java还提供了WeakHashMap，功能类似HashMap，内部实现是用弱引用对key进行包装，当某个key对象没有任何强引用指向，gc会自动回收key和value对象。

    /**
     *  weakHashMap使用demo
     */
    private static void weakHashMapDemo(){
        WeakHashMap<String,String> weakHashMap = new WeakHashMap<>();
        String key1 = new String("key1");
        String key2 = new String("key2");
        String key3 = new String("key3");
        weakHashMap.put(key1, "value1");
        weakHashMap.put(key2, "value2");
        weakHashMap.put(key3, "value3");

        // 使没有任何强引用指向key1
        key1 = null;

        System.out.println("before gc weakHashMap = " + weakHashMap + " , size=" + weakHashMap.size());

        // 通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.gc();
        System.out.println("after gc weakHashMap = " + weakHashMap + " , size="+ weakHashMap.size());
    }

程序输出：

before: gc weakHashMap = {key1=value1, key2=value2, key3=value3} , size=3
after: gc weakHashMap = {key2=value2, key3=value3} , size=2

WeakHashMap比较适用于缓存的场景，例如Tomcat的缓存就用到。

引用队列

介绍虚引用之前，先介绍引用队列：
在使用引用对象时，通过判断get()方法返回的值是否为null来判断对象是否已经被回收，当这样做并不是非常高效，特别是当我们有很多引用对象，如果想找出哪些对象已经被回收，需要遍历所有所有对象。

更好的方案是使用引用队列，在构造引用对象时与队列关联，当gc（垃圾回收线程）准备回收一个对象时，如果发现它还仅有软引用(或弱引用，或虚引用)指向它，就会在回收该对象之前，把这个软引用（或弱引用，或虚引用）加入到与之关联的引用队列（ReferenceQueue）中。

如果一个软引用（或弱引用，或虚引用）对象本身在引用队列中，就说明该引用对象所指向的对象被回收了，所以要找出所有被回收的对象，只需要遍历引用队列。

当软引用（或弱引用，或虚引用）对象所指向的对象被回收了，那么这个引用对象本身就没有价值了，如果程序中存在大量的这类对象（注意，我们创建的软引用、弱引用、虚引用对象本身是个强引用，不会自动被gc回收），就会浪费内存。因此我们这就可以手动回收位于引用队列中的引用对象本身。

    /**
     * 引用队列demo
     */
    private static void refQueueDemo() {
        ReferenceQueue<String> refQueue = new ReferenceQueue<>();

        // 用于检查引用队列中的引用值被回收
        Thread checkRefQueueThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Reference<? extends String> clearRef = refQueue.poll();
                if (null != clearRef) {
                    System.out
                            .println("引用对象被回收, ref = " + clearRef + ", value = " + clearRef.get());
                }
            }
        });
        checkRefQueueThread.start();

        WeakReference<String> weakRef1 = new WeakReference<>(new String("value1"), refQueue);
        WeakReference<String> weakRef2 = new WeakReference<>(new String("value2"), refQueue);
        WeakReference<String> weakRef3 = new WeakReference<>(new String("value3"), refQueue);

        System.out.println("ref1 value = " + weakRef1.get() + ", ref2 value = " + weakRef2.get()
                + ", ref3 value = " + weakRef3.get());

        System.out.println("开始通知JVM的gc进行垃圾回收");
        // 通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.gc();
    }

程序输出：

ref1 value = value1, ref2 value = value2, ref3 value = value3
开始通知JVM的gc进行垃圾回收
引用对象被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@48c6cd96, value=null
引用对象被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@46013afe, value=null
引用对象被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@423ea6e6, value=null

虚引用

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，不同于软引用和弱引用，虚引用不用于访问引用对象所指示的对象，相反，通过不断轮询虚引用对象关联的引用队列，可以得到对象回收事件。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生产时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。虽然这看起来毫无意义，但它实际上可以用来做对象回收时资源清理、释放，它比finalize更灵活，我们可以基于虚引用做更安全可靠的对象关联的资源回收。

• finalize的问题

• Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、而且根本不会保证它们会被执行
  如果可用内存没有被耗尽，垃圾收集器不会运行，finalize方法也不会被执行。

• 性能问题
  JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行。

• 对象再生问题
  finalize方法中，可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用，从而达到对象再生的目的。

针对不靠谱finalize方法，完全可以使用虚引用来实现。在JDK1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

下面是简单的使用例子，通过访问引用队列可以得到对象的回收事件：

    /**
     * 简单使用虚引用demo
     * 虚引用在实现一个对象被回收之前必须做清理操作是很有用的,比finalize()方法更灵活
     */
    private static void simpleUsePhantomRefDemo() throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, refQueue);

        // null
        System.out.println(phantomRef.get());
        // null
        System.out.println(refQueue.poll());

        obj = null;
        // 通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.gc();

        // null, 调用phantomRef.get()不管在什么情况下会一直返回null
        System.out.println(phantomRef.get());

        // 当GC发现了虚引用，GC会将phantomRef插入进我们之前创建时传入的refQueue队列
        // 注意，此时phantomRef对象，并没有被GC回收，在我们显式地调用refQueue.poll返回phantomRef之后
        // 当GC第二次发现虚引用，而此时JVM将phantomRef插入到refQueue会插入失败，此时GC才会对phantomRef对象进行回收
        Thread.sleep(200);
        Reference<?> pollObj = refQueue.poll();
        // java.lang.ref.PhantomReference@1540e19d
        System.out.println(pollObj);
        if (null != pollObj) {
            // 进行资源回收的操作
        }
    }

比较常见的，可以基于虚引用实现JDBC连接池，锁的释放等场景。
以连接池为例，调用方正常情况下使用完连接，需要把连接释放回池中，但是不可避免有可能程序有bug，造成连接没有正常释放回池中。基于虚引用对Connection对象进行包装，并关联引用队列，就可以通过轮询引用队列检查哪些连接对象已经被GC回收，释放相关连接资源。具体实现已上传github的caison-blog-demo仓库。

总结

对比一下几种引用对象的不同：

引用类型	GC回收时间	常见用途	生存时间
强引用	永不	对象的一般状态	JVM停止运行时
软引用	内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
弱引用	GC时	对象缓存	GC后终止

虚引用，配合引用队列使用，通过不断轮询引用队列获取对象回收事件。

虽然引用对象是一个非常有用的工具来管理你的内存消耗，但有时它们是不够的，或者是过度设计的 。例如，使用一个Map来缓存从数据库中读取的数据。虽然可以使用弱引用来作为缓存，但最终程序需要运行一定量的内存。如果不能给它足够实际足够的资源完成任何工作，那么错误恢复机制有多强大也没有用。

当遇到OutOfMemoryError错误，第一反应是要弄清楚它为什么会发生，也许真的是程序有bug，也许是可用内存设置的太低。

在开发过程中，应该制定程序具体的使用内存大小，而已要关注实际使用中用了多少内存。大多数应用程序在实际运行负载下，程序的内存占用会达到稳定状态，可以用此来作为参考来设置合理的堆大小。如果程序的内存使用量随着时间的推移而上升，很有可能是因为当对象不再使用时仍然拥有对对象的强引用。引用对象在这里可能会有所帮助，但更有可能是把它当做一个bug来进行修复。

本文来自作者投稿，作者『陈彩华』，就职于广州贝聊科技。

 

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