Java引用类型

Posted 2020-06-24 朱小厮

---

欢迎支持笔者新作：《深入理解Kafka:核心设计与实践原理》和《RabbitMQ实战指南》，同时欢迎关注笔者的微信公众号：朱小厮的博客。

---

欢迎跳转到本文的原文链接：https://honeypps.com/java/java-reference-type/

  博主最近在整理Java集合框架时，在整理到WeakHashMap的时候，觉得有必要先阐述一下Java的引用类型，故此先整理的这篇文章，希望各位多提提意见。
  闲话不多说，直接进入主题。Java中提供了4个级别的引用：强引用、软引用、弱引用和虚引用。这四个引用定义在java.lang.ref的包下。

---

##强引用（ Final Reference）
  就是指在程序代码中普遍存在的，类似Object obj = new Object()这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
  强引用具备以下三个个特点：

1. 强引用可以直接访问目标对象；
2. 强引用锁指向的对象在任何时候都不会被系统回收。JVM宁愿抛出OOM异常也不回收强引用所指向的对象；
3. 强应用可能导致内存泄露；

  整个FinalReference类的定义如下（有些API中并没有加入FinalReference类的说明，只能看源码了）：

package java.lang.ref;
/* Final references, used to implement finalization */
class FinalReference<T> extends Reference<T> {
    public FinalReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }
}

  从类定义中可以看出，只有一个构造函数，根据所给的对象的应用和应用队列构造一个强引用。

---

##软引用（Soft Reference)
  是用来描述一些还有用但并非必须的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
  对于软引用关联着的对象，如果内存充足，则垃圾回收器不会回收该对象，如果内存不够了，就会回收这些对象的内存。在 JDK 1.2 之后，提供了 SoftReference 类来实现软引用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
  案例1：

package collections.ref;

import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftRefTest
{
    private static ReferenceQueue<MyObject> softQueue = new ReferenceQueue<>();

    public static class MyObject{

        @Override
        protected void finalize() throws Throwable
        {
            super.finalize();
            System.out.println("MyObject's finalize called");
        }

        @Override
        public String toString()
        {
            return "I am MyObject";
        }
    }

    public static class CheckRefQueue implements Runnable
    {
        Reference<MyObject> obj = null;
        @Override
        public void run()
        {
            try
            {
                obj = (Reference<MyObject>)softQueue.remove();
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            if(obj != null)
            {
                System.out.println("Object for SoftReference is "+obj.get());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        MyObject object = new MyObject();
        SoftReference<MyObject> softRef = new SoftReference<>(object,softQueue);
        new Thread(new CheckRefQueue()).start();

        object = null;    //删除强引用
        System.gc();
        System.out.println("After GC: Soft Get= "+softRef.get());
        System.out.println("分配大块内存");
        byte[] b = new byte[5*1024*928];
        System.out.println("After new byte[]:Soft Get= "+softRef.get());
        System.gc();
    }
}

  运行参数1：

-Xmx5M

  运行结果1：

After GC: Soft Get= I am MyObject
分配大块内存
MyObject's finalize called
Object for SoftReference is null
After new byte[]:Soft Get= null

  运行参数2：

-Xmx5M -XX:PrintGCDetails

  运行结果2（关于GC日志可以查看《Java堆内存http://blog.csdn.net/u013256816/article/details/50764532》）：

[GC [PSYoungGen: 680K->504K(2560K)] 680K->512K(6144K), 0.0040658 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC [PSYoungGen: 504K->0K(2560K)] [ParOldGen: 8K->482K(3584K)] 512K->482K(6144K) [PSPermGen: 2491K->2490K(21504K)], 0.0188479 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs] 
After GC: Soft Get= I am MyObject
分配大块内存
[GC [PSYoungGen: 123K->64K(2560K)] 605K->546K(7680K), 0.0004285 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC [PSYoungGen: 64K->64K(2560K)] 546K->546K(7680K), 0.0003019 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC [PSYoungGen: 64K->0K(2560K)] [ParOldGen: 482K->482K(4608K)] 546K->482K(7168K) [PSPermGen: 2493K->2493K(21504K)], 0.0094748 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] 482K->482K(7680K), 0.0003759 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] [ParOldGen: 482K->472K(5120K)] 482K->472K(7680K) [PSPermGen: 2493K->2493K(21504K)], 0.0101017 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs] 
MyObject's finalize called
Object for SoftReference is null
After new byte[]:Soft Get= null
[GC [PSYoungGen: 122K->32K(2560K)] 5235K->5144K(7680K), 0.0004806 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC [PSYoungGen: 32K->0K(2560K)] [ParOldGen: 5112K->5112K(5120K)] 5144K->5112K(7680K) [PSPermGen: 2493K->2493K(21504K)], 0.0136270 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 2560K, used 20K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 2048K, 1% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd05250,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
 ParOldGen       total 5120K, used 5112K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000)
  object space 5120K, 99% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffcfe188,0x00000000ffd00000)
 PSPermGen       total 21504K, used 2500K [0x00000000fa600000, 0x00000000fbb00000, 0x00000000ff800000)
  object space 21504K, 11% used [0x00000000fa600000,0x00000000fa871190,0x00000000fbb00000)

  加入 -XX:PrintGCDetails参数运行可以更形象的看到GC回收的细节。
  这个案例1中，首先构造MyObject对象，并将其赋值给object变量，构成强引用。然后使用SoftReference构造这个MyObject对象的软引用softRef，并注册到softQueue引用队列。当softRef被回收时，会被加入softQueue队列。设置obj=null，删除这个强引用，因此，系统内对MyObject对象的引用只剩下软引用。此时，显示调用GC，通过软引用的get()方法，取得MyObject对象的引用，发现对象并未被回收，这说明GC在内存充足的情况下，不会回收软引用对象。
  接着，请求一块大的堆空间51024928，这个操作会使系统堆内存使用紧张，从而产生新一轮的GC。在这次GC后，softRef.get()不再返回MyObject对象，而是返回null，说明在系统内存紧张的情况下，软引用被回收。软引用被回收时，会被加入注册的引用队列。
  如果将上面案例中的数组再改大点，比如510241024，就会抛出OOM异常：

After GC: Soft Get= I am MyObject
分配大块内存
MyObject's finalize called
Object for SoftReference is null
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at collections.ref.SoftRefTest.main(SoftRefTest.java:58)

  软引用主要应用于内存敏感的高速缓存，在android系统中经常使用到。一般情况下，Android应用会用到大量的默认图片，这些图片很多地方会用到。如果每次都去读取图片，由于读取文件需要硬件操作，速度较慢，会导致性能较低。所以我们考虑将图片缓存起来，需要的时候直接从内存中读取。但是，由于图片占用内存空间比较大，缓存很多图片需要很多的内存，就可能比较容易发生OutOfMemory异常。这时，我们可以考虑使用软引用技术来避免这个问题发生。SoftReference可以解决oom的问题，每一个对象通过软引用进行实例化，这个对象就以cache的形式保存起来，当再次调用这个对象时，那么直接通过软引用中的get（）方法，就可以得到对象中中的资源数据，这样就没必要再次进行读取了，直接从cache中就可以读取得到，当内存将要发生OOM的时候，GC会迅速把所有的软引用清除，防止oom发生。
  案例2：

public class BitMapManager {
    private Map<String, SoftReference<Bitmap>> imageCache = new HashMap<String, SoftReference<Bitmap>>();

    //保存Bitmap的软引用到HashMap
    public void saveBitmapToCache(String path) {
        // 强引用的Bitmap对象
        Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile(path);
        // 软引用的Bitmap对象
        SoftReference<Bitmap> softBitmap = new SoftReference<Bitmap>(bitmap);
        // 添加该对象到Map中使其缓存
        imageCache.put(path, softBitmap);
        // 使用完后手动将位图对象置null
        bitmap = null;
    }

    public Bitmap getBitmapByPath(String path) {

        // 从缓存中取软引用的Bitmap对象
        SoftReference<Bitmap> softBitmap = imageCache.get(path);
        // 判断是否存在软引用
        if (softBitmap == null) {
            return null;
        }
        // 取出Bitmap对象，如果由于内存不足Bitmap被回收，将取得空
        Bitmap bitmap = softBitmap.get();
        return bitmap;
    }
}

---

弱引用（Weak Reference)

  用来描述非必须的对象，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。一旦一个弱引用对象被垃圾回收器回收，便会加入到一个注册引用队列中。
  我们略微修改一下案例1的代码，如下：

package collections.ref;

import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.WeakReference;

public class WeakRefTest
{
    private static ReferenceQueue<MyObject> weakQueue = new ReferenceQueue<>();

    public static class MyObject{

        @Override
        protected void finalize() throws Throwable
        {
            super.finalize();
            System.out.println("MyObject's finalize called");
        }

        @Override
        public String toString()
        {
            return "I am MyObject";
        }
    }

    public static class CheckRefQueue implements Runnable
    {
        Reference<MyObject> obj = null;
        @Override
        public void run()
        {
            try
            {
                obj = (Reference<MyObject>)weakQueue.remove();
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            if(obj != null)
            {
                System.out.println("删除的弱引用为："+obj+"  but获取弱引用的对象obj.get()="+obj.get());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        MyObject object = new MyObject();
        Reference<MyObject> weakRef = new WeakReference<>(object,weakQueue);
        System.out.println("创建的弱引用为："+weakRef);
        new Thread(new CheckRefQueue()).start();

        object = null;
        System.out.println("Before GC: Weak Get= "+weakRef.get());
        System.gc();
        System.out.println("After GC: Weak Get= "+weakRef.get());
    }
}

  不加参数运行结果：

创建的弱引用为：java.lang.ref.WeakReference@29e07d3e
Before GC: Weak Get= I am MyObject
After GC: Weak Get= null
MyObject's finalize called
删除的弱引用为：java.lang.ref.WeakReference@29e07d3e  but获取弱引用的对象obj.get()=null

  可以看到，在GC之前，弱引用对象并未被垃圾回收器发现，因此通过 weakRef.get()可以获取对应的对象引用。但是只要进行垃圾回收，弱引用一旦被发现，便会立即被回收，并加入注册引用队列中。此时再试图通过weakRef.get()获取对象的引用就会失败。
  弱引用的相关实际案例可以参考WeakHashMap，博主会在近期整理出相关文档。等不及的小伙伴可以自行度娘之。

软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据。如果这么做，当系统内存不足时，这些缓存数据会被回收，不会导致内存溢出。而当内存资源充足时，这些缓存数据又可以存在相当长的时间，从而起来加速系统的作用。

---

##虚引用（Phantom Reference)
  虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个持有虚引用的对象，和没有引用几乎是一样的，随时都有可能被垃圾回收器回收。当试图通过虚引用的get()方法取得强引用时，总是会失败。并且，虚引用必须和引用队列一起使用，它的作用在于跟踪垃圾回收过程。
  虚引用中get方法的实现如下：

    public T get() {
        return null;
    }

  可以看到永远返回null.
  我们再来修改一下案例1的代码：

package collections.ref;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class PhantomRefTest
{
    private static ReferenceQueue<MyObject> phanQueue = new ReferenceQueue<>();

    public static class MyObject{

        @Override
        protected void finalize() throws Throwable
        {
            super.finalize();
            System.out.println("MyObject's finalize called");
        }

        @Override
        public String toString()
        {
            return "I am MyObject";
        }
    }

    public static class CheckRefQueue implements Runnable
    {
        Reference<MyObject> obj = null;
        @Override
        public void run()
        {
            try
            {
                obj = (Reference<MyObject>)phanQueue.remove();
                System.out.println("删除的虚引用为："+obj+"  but获取虚引用的对象obj.get()="+obj.get());
                System.exit(0);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        MyObject object = new MyObject();
        Reference<MyObject> phanRef = new PhantomReference<>(object,phanQueue);
        System.out.println("创建的虚引用为："+phanRef);
        new Thread(new CheckRefQueue()).start();

        object = null;
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        int i =1;
        while(true)
        {
            System.out.println("第"+i+++"次gc");
            System.gc();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }
    }
}

  运行结果：

创建的虚引用为：java.lang.ref.PhantomReference@3a6646fc
第1次gc
MyObject's finalize called
第2次gc
删除的虚引用为：java.lang.ref.PhantomReference@3a6646fc  but获取虚引用的对象obj.get()=null

  可以看到，再经过一次GC之后，系统找到了垃圾对象，并调用finalize()方法回收内存，但没有立即加入回收队列。第二次GC时，该对象真正被GC清楚，此时，加入虚引用队列。
  虚引用的最大作用在于跟踪对象回收，清理被销毁对象的相关资源。
  通常当对象不被使用时，重载该对象的类的finalize方法可以回收对象的资源。但是如果使用不慎，会使得对象复活，譬如这么编写finalize方法：

public class Test{
    public static Test obj;
    
    @Override protected void finalize() throws Throwable{
        super.finalize();
        obj = this;
    }
}

  对上面这个类Test中obj = new Test();然后obj=null；之后调用System.gc()企图销毁对象，但是很抱歉，不管你调用多少次System.gc()都没有什么用，除非你在下面的代码中再就obj=null;这样才能回收对象，这是因为JVM对某一个对象至多只执行一次被重写的finalize方法。
  上面的小片段说明重写finalize的方法并不是很靠谱，可以使用虚引用来清理对象所占用的资源。
  如下代码所示：

    public class PhantomRefTest2
{
    private static ReferenceQueue<MyObject> phanQueue = new ReferenceQueue<>();
    private static Map<Reference<MyObject>,String> map = new HashMap<>();

    public static class MyObject{

        @Override
        protected void finalize() throws Throwable
        {
            super.finalize();
            System.out.println("MyObject's finalize called");
        }

        @Override
        public String toString()
        {
            return "I am MyObject";
        }
    }

    public static class CheckRefQueue implements Runnable
    {
        Reference<MyObject> obj = null;
        @Override
        public void run()
        {
            try
            {
                obj = (Reference<MyObject>)phanQueue.remove();
                Object value = map.get(obj);
                System.out.println("clean resource:"+value);
                map.remove(obj);

                System.out.println("删除的虚引用为："+obj+"  but获取虚引用的对象obj.get()="+obj.get());
                System.exit(0);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        MyObject object = new MyObject();
        Reference<MyObject> phanRef = new PhantomReference<>(object,phanQueue);
        System.out.println("创建的虚引用为："+phanRef);
        new Thread(new CheckRefQueue()).start();
        map.put(phanRef, "Some Resources");

        object = null;
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        int i =1;
        while(true)
        {
            System.out.println("第"+i+++"次gc");
            System.gc();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }
    }
}

  运行结果：

创建的虚引用为：java.lang.ref.PhantomReference@6a07348e
第1次gc
MyObject's finalize called
第2次gc
clean resource:Some Resources
删除的虚引用为：java.lang.ref.PhantomReference@6a07348e  but获取虚引用的对象obj.get()=null

---

参考资料：

1. 《Java程序性能优化——让你的Java程序更快、更稳定》葛一鸣 等编著。
2. 《Java堆内存http://blog.csdn.net/u013256816/article/details/50764532》

欢迎跳转到本文的原文链接：https://honeypps.com/java/java-reference-type/

欢迎支持笔者新作：《深入理解Kafka:核心设计与实践原理》和《RabbitMQ实战指南》，同时欢迎关注笔者的微信公众号：朱小厮的博客。

---