徹底了解JVM常考題之分級引用模型

本文通過探析Java中的引用模型，分析比較強引用、軟引用、弱引用、虛引用的概念及使用場景，知其然且知其是以然，希望給大家在實際開發實踐、學習開源項目提供參考。

Java的引用

對于Java中的垃圾回收機制來說，對象是否被應該回收的取決于該對象是否被引用。是以，引用也是JVM進行記憶體管理的一個重要概念。Java中是JVM負責記憶體的配置設定和回收，這是它的優點（使用友善，程式不用再像使用C語言那樣擔心記憶體），但同時也是它的缺點（不夠靈活）。由此，Java提供了引用分級模型，可以定義Java對象重要性和優先級，提高JVM記憶體回收的執行效率。

關于引用的定義，在JDK1.2之前，如果reference類型的資料中存儲的數值代表的是另一塊記憶體的起始位址，就稱為這塊記憶體代表着一個引用；JDK1.2之後，Java對引用的概念進行了擴充，将引用分為強引用(Strong Reference)、軟引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虛引用(Phantom Reference)四種。

軟引用對象和弱應用對象主要用于：當記憶體空間還足夠，則能儲存在記憶體之中；如果記憶體空間在垃圾收集之後還是非常緊張，則可以抛棄這些對象。很多系統的緩存功能都符合這樣的使用場景。

而虛引用對象用于替代不靠譜的finalize方法，可以擷取對象的回收事件，來做資源清理工作。

對象生命周期

無分級引用對象生命周期

前面提到，分層引用的模型是用于記憶體回收，沒有分級引用對象下，一個對象從建立到回收的生命周期可以簡單地用下圖概括：對象被建立，被使用，有資格被收集，最終被收集，陰影區域表示對象“強可達”時間：

對象生命周期(無分級引用)

有分級引用對象生命周期

JDK1.2引入java.lang.ref程式包之後，對象的生命周期多了3個階段，軟可達，弱可達，虛可達，這些狀态僅适用于符合垃圾回收條件的對象，這些對象處于非強引用階段，而且需要基于java.lang.ref包中的相關的引用對象類來訓示标明。

軟可達

軟可達對象用SoftReference來訓示标明，并沒有強引用，垃圾回收器會盡可能長時間地保留對象，但是會在抛出OutOfMemoryError異常之前收集它。

弱可達

弱可達對象用WeakReference來訓示标明，并沒有強引用或軟引用，垃圾回收器會随時回收對象，并不會嘗試保留它，但是會在抛出OutOfMemoryError異常之前收集它。

在對象回收階段中，該對象在major collection期間被回收，但是可以在minor collection期間存活

虛可達

虛可達對象用PhantomReference來訓示标明，它已經被标記選中進行垃圾回收并且它的finalizer(如果有)已經運作。在這種情況下，術語“可達”實際上是用詞不當，因為您無法通路實際對象。

對象生命周期(有分級引用)

對象生命周期圖中添加三個新的可選狀态會造成一些困惑。邏輯順序上是從強可達到軟，弱和虛，最終到回收，但實際的情況取決于程式建立的參考對象。但如果建立WeakReference但不建立SoftReference，則對象直接從強可達到弱到達最終到收集。

強引用

強引用就是指在程式代碼之中普遍存在的，比如下面這段代碼中的obj和str都是強引用：

隻要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收被引用的對象，即使在記憶體不足的情況下，JVM即使抛出OutOfMemoryError異常也不會回收這種對象。

實際使用上，可以通過把引用顯示指派為null來中斷對象與強引用之前的關聯，如果沒有任何引用執行對象，垃圾收集器将在合适的時間回收對象。

例如ArrayList類的remove方法中就是通過将引用指派為null來實作清理工作的：

引用對象

介紹軟引用、弱引用和虛引用之前，有必要介紹一下引用對象，

引用對象是程式代碼和其他對象之間的間接層，稱為引用對象。每個引用對象都圍繞對象的引用構造，并且不能更改引用值。

引用對象提供get()來獲得其引用值的一個強引用，垃圾收集器可能随時回收引用值所指的對象。

一旦對象被回收，get()方法将傳回null，要正确使用引用對象，下面使用SoftReference(軟引用對象)作為參考示例：

也就是說，使用時：

1、必須經常檢查引用值是否為null

垃圾收集器可能随時回收引用對象，如果輕率地使用引用值，遲早會得到一個NullPointerException。

2、必須使用強引用來指向引用對象傳回的值

垃圾收集器可能在任何時間回收引用對象，即使在一個表達式中間。

3、必須持有引用對象的強引用

如果建立引用對象，沒有持有對象的強引用，那麼引用對象本身将被垃圾收集器回收。

4、當引用值沒有被其他強引用指向時，軟引用、弱引用和虛引用才會發揮作用，引用對象的存在就是為了友善追蹤并高效垃圾回收。

軟引用、弱引用和虛引用

引用對象的3個重要實作類位于java.lang.ref包下，分别是軟引用SoftReference、弱引用WeakReference和虛引用PhantomReference。

軟引用

軟引用用來描述一些還有用但非必需的對象。對于軟引用關聯着的對象，在系統将要發生抛出OutOfMemoryError異常之前，将會把這些對象列入回收範圍之内進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的記憶體，才會抛出OutOfMemoryError異常。在JDK1.2之後，提供了SoftReference類來實作軟引用。

下面是一個使用示例：

JDK文檔中提到：軟引用适用于對記憶體敏感的緩存：每個緩存對象都是通過通路的 SoftReference，如果JVM決定需要記憶體空間，那麼它将清除回收部分或全部軟引用對應的對象。如果它不需要空間，則SoftReference訓示對象保留在堆中，并且可以通過程式代碼通路。在這種情況下，當它們被積極使用時，它們被強引用，否則會被軟引用。如果清除了軟引用，則需要重新整理緩存。

實際使用上，要除非緩存的對象非常大，每個數量級為幾千位元組，才值得考慮使用軟引用對象。例如：實作一個檔案伺服器，它需要定期檢索相同的檔案，或者需要緩存大型對象圖。如果對象很小，必須清除很多對象才能産生影響，那麼不建議使用，因為清除軟引用對象會增加整個過程的開銷。

弱引用

弱引用也是用來描述非必需對象，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的對象隻能生存到下一次垃圾收集發送之前。當垃圾收集器工作時，無論目前記憶體是否足夠，都會回收掉隻被弱引用關聯的對象。

在JDK1.2之後，提供了WeakReference類來實作弱引用。

可以看到被弱引用關聯的對象，在gc之後被回收掉。

有意思的地方是，如果把上面代碼中的：

改為

程式将輸出

這是因為使用Java的String直接指派和使用new差別在于：

new 會在堆區建立一個可以被正常回收的對象。

String直接指派，會在Java StringPool(字元串常量池)裡建立一個String對象，存于pergmen(永生代區)中，通常不會被gc回收。

WeakHashMap

為了更友善使用弱引用，Java還提供了WeakHashMap，功能類似HashMap，内部實作是用弱引用對key進行包裝，當某個key對象沒有任何強引用指向，gc會自動回收key和value對象。

程式輸出：

WeakHashMap比較适用于緩存的場景，例如Tomcat的緩存就用到。

引用隊列

介紹虛引用之前，先介紹引用隊列：

在使用引用對象時，通過判斷get()方法傳回的值是否為null來判斷對象是否已經被回收，當這樣做并不是非常高效，特别是當我們有很多引用對象，如果想找出哪些對象已經被回收，需要周遊所有所有對象。

更好的方案是使用引用隊列，在構造引用對象時與隊列關聯，當gc（垃圾回收線程）準備回收一個對象時，如果發現它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該對象之前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯的引用隊列（ReferenceQueue）中。

如果一個軟引用（或弱引用，或虛引用）對象本身在引用隊列中，就說明該引用對象所指向的對象被回收了，是以要找出所有被回收的對象，隻需要周遊引用隊列。

當軟引用（或弱引用，或虛引用）對象所指向的對象被回收了，那麼這個引用對象本身就沒有價值了，如果程式中存在大量的這類對象（注意，我們建立的軟引用、弱引用、虛引用對象本身是個強引用，不會自動被gc回收），就會浪費記憶體。是以我們這就可以手動回收位于引用隊列中的引用對象本身。

虛引用

虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，不同于軟引用和弱引用，虛引用不用于通路引用對象所訓示的對象，相反，通過不斷輪詢虛引用對象關聯的引用隊列，可以得到對象回收事件。一個對象是否有虛引用的存在，完全不會對其生産時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象執行個體。雖然這看起來毫無意義，但它實際上可以用來做對象回收時資源清理、釋放，它比finalize更靈活，我們可以基于虛引用做更安全可靠的對象關聯的資源回收。

finalize的問題

Java語言規範并不保證finalize方法會被及時地執行、而且根本不會保證它們會被執行

如果可用記憶體沒有被耗盡，垃圾收集器不會運作，finalize方法也不會被執行。

性能問題

JVM通常在單獨的低優先級線程中完成finalize的執行。

對象再生問題

finalize方法中，可将待回收對象指派給GC Roots可達的對象引用，進而達到對象再生的目的。

針對不靠譜finalize方法，完全可以使用虛引用來實作。在JDK1.2之後，提供了PhantomReference類來實作虛引用。

下面是簡單的使用例子，通過通路引用隊列可以得到對象的回收事件：

比較常見的，可以基于虛引用實作JDBC連接配接池，鎖的釋放等場景。

以連接配接池為例，調用方正常情況下使用完連接配接，需要把連接配接釋放回池中，但是不可避免有可能程式有bug，造成連接配接沒有正常釋放回池中。基于虛引用對Connection對象進行包裝，并關聯引用隊列，就可以通過輪詢引用隊列檢查哪些連接配接對象已經被GC回收，釋放相關連接配接資源。具體實作已上傳github的caison-blog-demo倉庫。

總結

對比一下幾種引用對象的不同：

虛引用，配合引用隊列使用，通過不斷輪詢引用隊列擷取對象回收事件。

雖然引用對象是一個非常有用的工具來管理你的記憶體消耗，但有時它們是不夠的，或者是過度設計的 。例如，使用一個Map來緩存從資料庫中讀取的資料。雖然可以使用弱引用來作為緩存，但最終程式需要運作一定量的記憶體。如果不能給它足夠實際足夠的資源完成任何工作，那麼錯誤恢複機制有多強大也沒有用。

當遇到OutOfMemoryError錯誤，第一反應是要弄清楚它為什麼會發生，也許真的是程式有bug，也許是可用記憶體設定的太低。

在開發過程中，應該制定程式具體的使用記憶體大小，而已要關注實際使用中用了多少記憶體。大多數應用程式在實際運作負載下，程式的記憶體占用會達到穩定狀态，可以用此來作為參考來設定合理的堆大小。如果程式的記憶體使用量随着時間的推移而上升，很有可能是因為當對象不再使用時仍然擁有對對象的強引用。引用對象在這裡可能會有所幫助，但更有可能是把它當做一個bug來進行修複。

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