@(Java)[Reference]

Java Reference 源碼分析

Reference

對象封裝了其它對象的引用，可以和普通的對象一樣操作，在一定的限制條件下，支援和垃圾收集器的互動。即可以使用Reference對象來引用其它對象，但是最後還是會被垃圾收集器回收。程式有時候也需要在對象回收後被通知，以告知對象的可達性發生變更。

Java提供了四種不同類型的引用，引用級别從高到低分别為

FinalReference

SoftReference

WeakReference

PhantomReference

。其中

FinalReference

不對外提供使用。每種類型對應着不同級别的可達性。

簡介

強引用 `FinalReference`

強引用指的是，程式中有直接可達的引用，而不需要通過任何引用對象，如Object obj = new Object();中，obj為強引用。

軟引用 `SoftReference`

軟引用，非強引用，但是可以通過軟引用對象來通路。軟引用的對象，隻有在記憶體不足的時候（抛出OOM異常前），垃圾收集器會決定回收該軟引用所指向的對象。軟引用通常用于實作記憶體敏感的緩存。

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<Object>(new Object());

弱引用 `WeakReference`

弱引用，非強引用和軟引用，但是可以通過弱引用對象來通路。弱引用的對象，不管記憶體是否足夠，隻要被垃圾收集器發現，該引用的對象就會被回收。實際的應用見

WeakHashMap

等。

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<Object>(new Object());

虛引用 `PhantomReference`

虛引用，該引用必須和引用隊列(

ReferenceQueue

)一起使用，一般用于實作追蹤垃圾收集器的回收動作，比如在對象被回收的時候，會調用該對象的finalize方法，在使用虛引用可以實作該動作，也更加安全。

Object obj = new Object();
ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<Object>(obj, refQueue);

ReferenceQueue

該隊列作為引用中的一員，可以和上述三種引用類型組合使用，該隊列的作用是：建立Reference時，将Queue注冊到Reference中，當該Reference所引用的對象被垃圾收集器回收時，會将該Reference放到該隊列中，相當于一種通知機制。

示例 Demo1：

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
System.gc();

Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);

源碼分析

`Reference` 和 `ReferenceQueue`

Reference

内部有幾個比較重要的屬性

// 用于儲存對象的引用，GC會根據不同Reference來特别對待
private T referent;
// 如果需要通知機制，則儲存的對對應的隊列
ReferenceQueue<? super T> queue;
/* 這個用于實作一個單向循環連結清單，用以将儲存需要由ReferenceHandler處理的引用 */
Reference next;

static private class Lock { };
// 鎖，用于同步pending隊列的進隊和出隊
private static Lock lock = new Lock();
// 此屬性儲存一個PENDING的隊列，配合上述next一起使用
private static Reference pending = null;

狀态圖

内部類 `ReferenceHandler`

ReferenceHandler

作為Reference的靜态内部類，用于實作将pending隊列裡面的

Reference

執行個體依次添加到不同的

ReferenceQueue

中（取決于Reference裡面的queue）。該pending的元素由GC負責加入。

注：這裡對pending隊列進行加鎖，個人認為是因為GC線程可能和ReferenceHandler所在的線程并發執行，如GC采用CMS并發收集的時候。

如下代碼所示

// 此線程在靜态塊中啟動，即一旦使用了Reference，則會啟動該線程
private static class ReferenceHandler extends Thread {
    public void run() {
        for (;;) {

            Reference r;
            synchronized (lock) {
                if (pending != null) {
                    r = pending;
                    Reference rn = r.next;
                    // 從pending中取下一個元素，如果後繼為空，則next指向自身                    pending = (rn == r) ? null : rn;
                    r.next = r;
                } else {
                    try {
                        // 沒有則等待，後續加入元素會調用lock.notify喚醒
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException x) { }
                    continue;
                }
            }
			// ...
            ReferenceQueue q = r.queue;
            // 如果該Reference注冊了對應的Queue，則加入到該Queue中
            if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
        }
    }
}

ReferenceQueue屬性

// 用于辨別沒有注冊Queue
static ReferenceQueue NULL = new Null();
// 用于辨別已經處于對應的Queue中
static ReferenceQueue ENQUEUED = new Null();

static private class Lock { };
/* 互斥鎖，用于同步ReferenceHandler的enqueue和使用者線程操作的remove和poll出隊操作 */
private Lock lock = new Lock();
// 隊列
private volatile Reference<? extends T> head = null;
// 隊列中的元素個數
private long queueLength = 0;

ReferenceQueue.enqueue

隻會通過Reference裡要調用該方法，用于将Reference放入到目前隊列中

boolean enqueue(Reference<? extends T> r) {
    synchronized (r) {
        // 判斷是否已經入隊了
        if (r.queue == ENQUEUED) return false;
        synchronized (lock) {
            r.queue = ENQUEUED;
            // 單向循環
            r.next = (head == null) ? r : head;
            head = r;
            queueLength++;
            if (r instanceof FinalReference) {
                sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);
            }
            // 通知目前挂起的線程（調用remove時有可能會挂起）
            lock.notifyAll();
            return true;
        }
    }
}

ReferenceQueue.remove

public Reference<? extends T> remove(long timeout)
    throws IllegalArgumentException, InterruptedException
{
    if (timeout < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Negative timeout value");
    }
    synchronized (lock) {
        // 從隊列中取出一個元素
        Reference<? extends T> r = reallyPoll();
        // 如果不為空，則直接傳回
        if (r != null) return r;
        for (;;) {
            // 否則等待，由enqueue時notify喚醒
            lock.wait(timeout);
            r = reallyPoll();
            if (r != null) return r;
            if (timeout != 0) return null;
        }
    }
}

具體執行流程

以上述示例Demo1作為分析

// 建立一個引用隊列
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

// 建立虛引用，此時狀态為Active，并且Reference.pending為空，目前Reference.queue = 上面建立的queue，并且next=null
WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
// 當GC執行後，由于是虛引用，是以回收該object對象，并且置于pending上，此時reference的狀态為PENDING
System.gc();

/* ReferenceHandler從pending中取下該元素，并且将該元素放入到queue中，此時Reference狀态為ENQUEUED，Reference.queue = ReferenceENQUEUED */

/* 當從queue裡面取出該元素，則變為INACTIVE，Reference.queue = Reference.NULL */
Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);

應用 - WeakHashMap

WeakHashMap在使用上和HashMap類型，都是Hash + 連結清單解決沖突，唯一不同點在于前者的Key是使用虛引用來實作的，即當進行垃圾回收的時候，就是被回收掉，此時WeakHashMap會在下次操作的時候，根據被回收掉的Key，從Map裡面移除掉。

Entry

當建立Entry的時候，會注冊進目前Map屬性的queue，當key被回收後，則該Entry會被放入到queue中，每當操作Map的時候，才會将原有的Value清除掉。（由expungeStaleEntries方法來進行，并且沒有啟動一個單獨的線程來處理，沒有必要，這樣子簡化了邏輯以及避免鎖的開銷）

// 外部WeakHashMap屬性
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

/* 這裡采用了內建WeakReference而不是直接使用，是因為當被回收的時候，具體的Key是不知道的，這裡需要往WeakReference額外加入一些屬性，以便在被回收後通知時，能夠定位到具體的Key/value */
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
    // 這裡屬性不能加入key，否則會導緻存在強引用而不能被視為WeakReference回收掉
    V value;
    int hash;
    Entry<K,V> next;
    
    Entry(Object key, V value,
          ReferenceQueue<Object> queue,
          int hash, Entry<K,V> next) {
        super(key, queue);
        this.value = value;
        this.hash  = hash;
        this.next  = next;
    }
	// ...
}

參考

官方文檔：

http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/ref/package-summary.html#package_description

部落格：

http://www.importnew.com/20468.html

http://hongjiang.info/java-referencequeue/

http://blog.csdn.net/lyfi01/article/details/6415726

Java Reference 源碼分析

Java Reference 源碼分析

簡介

強引用 `FinalReference`

軟引用 `SoftReference`

弱引用 `WeakReference`

虛引用 `PhantomReference`

ReferenceQueue

源碼分析

`Reference` 和 `ReferenceQueue`

狀态圖

内部類 `ReferenceHandler`

ReferenceQueue屬性

ReferenceQueue.enqueue

ReferenceQueue.remove

具體執行流程

應用 - WeakHashMap

Entry

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ReferenceQueue屬性

ReferenceQueue.enqueue

ReferenceQueue.remove

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