JDK源码分析之 Reference 实现和应用

Posted 2021-02-07 sanzao

在阅读本文之前最好对 Reference 框架有一个整体的把握，可以参考我上一篇博客 Reference 框架概览 ；本文主要讲了 Reference 的子类实现和应用（SoftReference，WeakReference，PhantomReference）；

Java 引用的强弱关系：StrongReference > SoftReference > WeakReference > PhantomReference

一、StrongReference

强引用：我们通常使用的引用，形如Object o = new Object();

此时从 stack 中的 o，到 heap 中的 Object 就是强引用；其他引用强弱的判定规则，可以查看我上一篇博客 Reference 框架概览 ；

二、SoftReference

软引用：可以用来表示一些有用但非必须的对象；JVM 会根据使用率和剩余堆空间大小来公共决定什么时候回收 SoftReference；JVM 保证在抛出 OOM 之前会再次扫描回收这些软引用，如果回收后内存仍不足才会抛出 OOM；所以在源码的注释中也写了 SoftReference 适合实现内存敏感的缓存；

public class SoftReference<T> extends Reference<T> {
  /**
   * Timestamp clock, updated by the garbage collector
   */
  static private long clock;

  /**
   * Timestamp updated by each invocation of the get method.  The VM may use
   * this field when selecting soft references to be cleared, but it is not
   * required to do so.
   */
  private long timestamp;

  public SoftReference(T referent) {
    super(referent);
    this.timestamp = clock;
  }

  public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
    super(referent, q);
    this.timestamp = clock;
  }

  public T get() {
    T o = super.get();
    if (o != null && this.timestamp != clock)
      this.timestamp = clock;
    return o;
  }

}

看上面的代码，SoftReference 与 Reference 相比多了两个时间戳 clock，timestamp，并且会在每次 get的时候更新时间戳；

• clock：这个时间戳是static修饰的，是所有 SoftReference 共有，由 JVM 维护；
• timestamp：主要用于记录当前对象的存活时间；

回收策略

上面提到 SoftReference 的回收是由使用率和剩余堆空间大小来公共决定的，那么它是怎么实现的呢？

openjdk/hotspot/src/share/vm/memory/referencePolicy.cpp

// Capture state (of-the-VM) information needed to evaluate the policy
void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
  _max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
  assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}

// The oop passed in is the SoftReference object, and not
// the object the SoftReference points to.
bool LRUCurrentHeapPolicy::should_clear_reference(oop p, jlong timestamp_clock) {
  jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p);
  assert(interval >= 0, "Sanity check");

  // The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc.
  if(interval <= _max_interval) {
    return false;
  }

  return true;
}

根据上面的代码可以大致知道:

1. 首先计算出了最大堆内存和上次 GC 时剩余的内存；
2. 再用（剩余内存 / 最大内存 ）* SoftRefLRUPolicyMSPerMB 得出到下次 GC 期间软引用的最大 idle 时间；
3. 最后用 clock 和 timestamp 两个时间戳差值得到 SoftReference 的 idle 时间（每次 get 的时候 this.timestamp = clock;，所以get 之后 idle 时间归零），如果大于最大 idle 时间则清除；

我们可以简单测试一下，启动参数：-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2 -Xmx10M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc；

• -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2：可以参照上面的计算过程调节 SoftReference 的回收频率；
• -Xmx10M：为最大堆内存，同样可以自行调节，-verbose:gc：打开 GC 日志，-XX:+PrintCommandLineFlags：打印 JVM 启动参数；

private static void test03() throws InterruptedException {
  ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
  Object o = new Object() {
    @Override
    public String toString() {
      return "zhangsan";
    }
  };
  
  Reference softRef = new SoftReference(o, queue);
  new Monitor(queue).start();
  
  o = null;
  System.gc();
  log.info("o=null, referent:{}", softRef.get());
  
  byte[] bytes = new byte[3 * 1024 * 1024];
  System.gc();
  log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
  Thread.sleep(2000);
  System.gc();
  log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
}

private static class Monitor extends Thread {
  ReferenceQueue queue;

  public Monitor(ReferenceQueue queue) {
    this.queue = queue;
  }
  
  @Override
  public void run() {
    while (true) {
      try {
        log.info("remove reference:{}", queue.remove().toString());
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}

// 打印：

[main] o=null, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:[email protected]

根据不同的参数设置会出现不同的情况，大家可以自行调节参数，验证上面的计算规则；另外如果-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0，那么 SoftReference 就应该和 WeakReference 差不多了，至于是否完全一致，就留到以后查看 JVM 的时候再确定了；

三、WeakReference

弱引用：被弱引用关联的对象只能生存到下一次 GC，当 GC 的时候无论内存是否足够，使用是否频繁都会被清除；同样源码注释里面也写了 WeakReference 适合实现 canonicalizing mappings，比如 WeakHashMap；

public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
  public WeakReference(T referent) {
    super(referent);
  }

  public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
    super(referent, q);
  }
}

简单测试，启动参数：-Xmx300M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc；

private static void test04() {
  ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
  Object o = new Object() {
    @Override
    public String toString() {
      return "zhangsan";
    }
  };
  
  Reference ref = new WeakReference(o, queue);
  new Monitor(queue).start();
  
  o = null;
  log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
  System.gc();
  log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

// 打印：

[main]     Before GC, referent:zhangsan
[main]     After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:[email protected]

可以看到在内存足够的时候，referent 被清除，WeakReference 在下次 GC 的时候随机被清除，并且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；

四、PhantomReference

虚引用：最弱的一种引用关系，虚引用对一个对象的生命周期完全没有影响，设置虚引用的唯一目的就是得到 referent 被回收的事件通知；

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
    public T get() {
        return null;
    }

    public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }
}

从源码也能看到 get 的时候，永远返回 null；

同样简单测试一下，

private static void test06() {
  ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
  Object o = new Object() {
    @Override
    public String toString() {
      return "zhangsan";
    }
  };
  
  Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
  new Monitor(queue).start();
  
  o = null;
  log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
  System.gc();
  log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

// 打印：

[main]     Before GC, referent:null
[main]     After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:[email protected]

可以看到 PhantomReference.get() 始终为 null，并且当 referent 被回收的时候，并且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；

此外 PhantomReference 和其他引用还有一个很大的不同，在 ReferenceQueue 中 JVM 并不会帮我们把 referent 字段置为空；

private static void test07() {
  ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
  Object o = new Object() {
    @Override
    public String toString() {
      return "zhangsan";
    }
  };
  
  Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
  new Monitor2(queue).start();
  
  o = null;
  log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
  System.gc();
  log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

private static class Monitor2 extends Thread {
  ReferenceQueue queue;
  
  public Monitor2(ReferenceQueue queue) {
    this.queue = queue;
  }
  
  @Override
  public void run() {
    try {
      while (true) {
        Reference ref = queue.poll();
        log.info("remove reference:{}", ref);
        if (ref != null) {
        Field field = Reference.class.getDeclaredField("referent");
        field.setAccessible(true);
        
        log.info("ReferenceQueue get Referent:{}", field.get(ref));
        ref.clear();
        break;
        }
      }
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

// 打印：

[main]     Before GC, referent:null
[main]     After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:null
[Thread-0] remove reference:[email protected]
[Thread-0] ReferenceQueue get Referent:zhangsan

这里可以看到从 ReferenceQueue 中取出来的 Reference 仍然可以取到引用对象，即 referent；但是在其他引用中打印为 null，这里可以将上面例子中的 Monitor 改为 Monitor2 测试；

Cleaner：
在Reference.tryHandlePending()里面提到的，主要用于替代Object.finalize();

public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {
  private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue<>();
  static private Cleaner first = null;

  private Cleaner
    next = null,
    prev = null;
    
  private final Runnable thunk;
  
  private Cleaner(Object referent, Runnable thunk) {
    super(referent, dummyQueue);
    this.thunk = thunk;
  }
  
  public static Cleaner create(Object ob, Runnable thunk) {
    if (thunk == null)
      return null;
    return add(new Cleaner(ob, thunk));
  }

  private static synchronized Cleaner add(Cleaner cl) {
    if (first != null) {
      cl.next = first;
      first.prev = cl;
    }
    first = cl;
    return cl;
  }

  private static synchronized boolean remove(Cleaner cl) { }

  public void clean() {
    if (!remove(this))
      return;
    try {
      thunk.run();
    } catch (final Throwable x) {
      AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
          public Void run() {
            if (System.err != null)
              new Error("Cleaner terminated abnormally", x)
                .printStackTrace();
            System.exit(1);
            return null;
          }});
    }
  }
}

从代码可以看到，

• Cleaner 只能通过工厂方法创建，并且所有的 Cleaner 都共同属于同一个 Reference 链表；
• 代码中的next、prev不同于 Reference 中的 next，他们组成了一个双向链表；
• Cleaner 中没有入队操作，在创建之初就已经加入链表了，具体代码可以查看Reference.tryHandlePending()；
• Cleaner 的主要逻辑就是传入一个clean线程，在 referent 引用对象清除的时候，这行这个清楚操作；

总结

• 对于上面讲的软引用、弱引用、虚引用，都有一套共同的事件通知机制，具体逻辑在 Reference 类中；主要的差别在于引用回收条件的判断，这部分代码在 JVM 里面；
• 另外对于 Reference 类还有 FinalReference 没有写，主要用于当类重写finalize方法时，JVM 会将他包装在 FinalReference 里面，里面的细节比较多，并且一般不建议使用，所以暂时没写；
• 此外《Effective Java》第三版的第八条也讲了避免使用finalizer和cleaner；详情可以自行查阅；

参考

http://www.importnew.com/21628.html
https://www.jianshu.com/p/95a4931ebf01
https://juejin.im/post/5bbfee46e51d450e5e0cba2f