SoftReference

本文介紹對象的強、軟、弱和虛引用的概念、應用及其在UML中的表示。

1．對象的強、軟、弱和虛引用

   在JDK 1.2曾經的版本号中，若一個對象不被不論什麼變量引用，那麼程式就無法再使用這個對象。也就是說，僅僅有對象處于可觸及（reachable）狀态，程式才幹使用它。從JDK 1.2版本号開始，把對象的引用分為4種級别，進而使程式能更加靈活地控制對象的生命周期。這4種級别由高到低依次為：強引用、軟引用、弱引用和虛引用。圖1為對象應用類層次。

圖1

⑴強引用（StrongReference）

    強引用是使用最普遍的引用。假設一個對象具有強引用，那垃圾回收器絕不會回收它。當記憶體空間不足，Java虛拟機甯願抛出OutOfMemoryError錯誤，使程式異常終止，也不會靠任意回收具有強引用的對象來解決記憶體不足的問題。

⑵軟引用（SoftReference）

    假設一個對象僅僅具有軟引用，則記憶體空間足夠，垃圾回收器就不會回收它；假設記憶體空間不足了，就會回收這些對象的記憶體。僅僅要垃圾回收器沒有回收它，該對象就能夠被程式使用。軟引用可用來實作記憶體敏感的快速緩存（下文給出示範樣例）。

軟引用能夠和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯合使用，假設軟引用所引用的對象被垃圾回收器回收，Java虛拟機就會把這個軟引用增加到與之關聯的引用隊列中。

⑶弱引用（WeakReference）

    弱引用與軟引用的差别在于：僅僅具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的記憶體區域的過程中，一旦發現了僅僅具有弱引用的對象，無論目前記憶體空間足夠與否，都會回收它的記憶體。隻是，因為垃圾回收器是一個優先級非常低的線程，是以不一定會非常快發現那些僅僅具有弱引用的對象。

弱引用能夠和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯合使用，假設弱引用所引用的對象被垃圾回收，Java虛拟機就會把這個弱引用增加到與之關聯的引用隊列中。

⑷虛引用（PhantomReference）

    “虛引用”顧名思義，就是形同虛設，與其它幾種引用都不同，虛引用并不會決定對象的生命周期。假設一個對象僅持有虛引用，那麼它就和沒有不論什麼引用一樣，在不論什麼時候都可能被垃圾回收器回收。

虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。虛引用與軟引用和弱引用的一個差别在于：虛引用必須和引用隊列 （ReferenceQueue）聯合使用。當垃圾回收器準備回收一個對象時，假設發現它還有虛引用，就會在回收對象的記憶體之前，把這個虛引用增加到與之 關聯的引用隊列中。

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();

PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);

   程式能夠通過推斷引用隊列中是否已經增加了虛引用，來了解被引用的對象是否将要被垃圾回收。假設程式發現某個虛引用已經被增加到引用隊列，那麼就能夠在所引用的對象的記憶體被回收之前採取必要的行動。

2．對象可及性的推斷

在非常多時候，一個對象并非從根集直接引用的，而是一個對象被其它對象引用，甚至同一時候被幾個對象所引用，進而構成一個以根集為頂的樹形結構。如圖2所看到的

  在這個樹形的引用鍊中，箭頭的方向代表了引用的方向，所指向的對象是被引用對象。由圖能夠看出，從根集到一個對象能夠由非常多條路徑。比方到達對象5的路徑就有①-⑤，③-⑦兩條路徑。由此帶來了一個問題，那就是某個對象的可及性怎樣推斷:

◆單條引用路徑可及性推斷:在這條路徑中，最弱的一個引用決定對象的可及性。

◆多條引用路徑可及性推斷:幾條路徑中，最強的一條的引用決定對象的可及性。

比方，我們如果圖2中引用①和③為強引用，⑤為軟引用，⑦為弱引用，對于對象5依照這兩個推斷原則，路徑①-⑤取最弱的引用⑤，是以該路徑對對象5的引用為軟引用。相同，③-⑦為弱引用。在這兩條路徑之間取最強的引用，于是對象5是一個軟可及對象。

3．使用軟引用建構敏感資料的緩存

3.1 為什麼須要使用軟引用

    首先，我們看一個雇員資訊查詢系統的執行個體。我們将使用一個Java語言實作的雇員資訊查詢系統查詢存儲在磁盤檔案或者資料庫中的雇員人事檔案資訊。作為一個使用者，我們全然有可能須要回頭去檢視幾分鐘甚至幾秒鐘前檢視過的雇員檔案資訊(相同，我們在浏覽WEB頁面的時候也常常會使用“後退”button)。這時我們一般會有兩種程式實作方式:一種是把過去檢視過的雇員資訊儲存在記憶體中，每個存儲了雇員檔案資訊的Java對象的生命周期貫穿整個應用程式始終;還有一種是當使用者開始檢視其它雇員的檔案資訊的時候，把存儲了目前所檢視的雇員檔案資訊的Java對象結束引用，使得垃圾收集線程能夠回收其所占用的記憶體空間，當使用者再次須要浏覽該雇員的檔案資訊的時候，又一次建構該雇員的資訊。非常顯然，第一種實作方法将造成大量的記憶體浪費，而另外一種實作的缺陷在于即使垃圾收集線程還沒有進行垃圾收集，包括雇員檔案資訊的對象仍然完善地儲存在記憶體中，應用程式也要又一次建構一個對象。我們知道，訪問磁盤檔案、訪問網絡資源、查詢資料庫等操作都是影響應用程式執行性能的重要因素，假設能又一次擷取那些尚未被回收的Java對象的引用，必将降低不必要的訪問，大大提高程式的執行速度。

3.2 怎樣使用軟引用

    SoftReference的特點是它的一個執行個體儲存對一個Java對象的軟引用，該軟引用的存在最好還是礙垃圾收集線程對該Java對象的回收。也就是說，一旦SoftReference儲存了對一個Java對象的軟引用後，在垃圾線程對這個Java對象回收前，SoftReference類所提供的get()方法傳回Java對象的強引用。另外，一旦垃圾線程回收該Java對象之後，get()方法将傳回null。

看以下代碼:

MyObject aRef = new?MyObject();

SoftReference aSoftRef=new SoftReference(aRef);

此時，對于這個MyObject對象，有兩個引用路徑，一個是來自SoftReference對象的軟引用，一個來自變量aReference的強引用，是以這個MyObject對象是強可及對象。

随即，我們能夠結束aReference對這個MyObject執行個體的強引用:

aRef = null;

   此後，這個MyObject對象成為了軟可及對象。假設垃圾收集線程進行記憶體垃圾收集，并不會由于有一個SoftReference對該對象的引用而始終保留該對象。Java虛拟機的垃圾收集線程對軟可及對象和其它一般Java對象進行了差别對待:軟可及對象的清理是由垃圾收集線程依據其特定算法依照記憶體需求決定的。也就是說，垃圾收集線程會在虛拟機抛出OutOfMemoryError之前回收軟可及對象，并且虛拟機會盡可能優先回收長時間閑置不用的軟可及對象，對那些剛剛建構的或剛剛使用過的“新”軟可反對象會被虛拟機盡可能保留。在回收這些對象之前，我們能夠通過:

MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get();

又一次獲得對該執行個體的強引用。而回收之後，調用get()方法就僅僅能得到null了。

3.3 使用ReferenceQueue清除失去了軟引用對象的SoftReference

    作為一個Java對象，SoftReference對象除了具有儲存軟引用的特殊性之外，也具有Java對象的一般性。是以，當軟可及對象被回收之後，盡管這個SoftReference對象的get()方法傳回null,但這個SoftReference對象已經不再具有存在的價值，須要一個适當的清除機制，避免大量SoftReference對象帶來的記憶體洩漏。在java.lang.ref包裡還提供了ReferenceQueue。假設在建立SoftReference對象的時候，使用了一個ReferenceQueue對象作為參數提供給SoftReference的構造方法，如:

ReferenceQueue queue = new?ReferenceQueue();

SoftReference?ref=new?SoftReference(aMyObject, queue);

    那麼當這個SoftReference所軟引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同一時候，ref所強引用的SoftReference對象被列入ReferenceQueue。也就是說，ReferenceQueue中儲存的對象是Reference對象，并且是已經失去了它所軟引用的對象的Reference對象。另外從ReferenceQueue這個名字也能夠看出，它是一個隊列，當我們調用它的poll()方法的時候，假設這個隊列中不是空隊列，那麼将傳回隊列前面的那個Reference對象。

在不論什麼時候，我們都能夠調用ReferenceQueue的poll()方法來檢查是否有它所關心的非強可及對象被回收。假設隊列為空，将傳回一個null,否則該方法傳回隊列中前面的一個Reference對象。利用這種方法，我們能夠檢查哪個SoftReference所軟引用的對象已經被回收。于是我們能夠把這些失去所軟引用的對象的SoftReference對象清除掉。經常使用的方式為:

SoftReference ref = null;

while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {

   // 清除ref

}

了解了ReferenceQueue的工作機制之後，我們就能夠開始構造一個Java對象的快速緩存器了。

3.4通過軟可及對象重獲方法實作Java對象的快速緩存

    利用Java2平台垃圾收集機制的特性以及前述的垃圾對象重獲方法，我們通過一個雇員資訊查詢系統的小樣例來說明怎樣建構一種快速緩存器來避免反複建構同一個對象帶來的性能損失。我們将一個雇員的檔案資訊定義為一個Employee類:

public class Employee {

  private String id;// 雇員的辨別号碼

  private String name;// 雇員姓名

  private String department;// 該雇員所在部門

  private String Phone;// 該雇員聯系電話

  private int salary;// 該雇員薪資

  private String origin;// 該雇員資訊的來源

// 構造方法

public Employee(String id) { 

     this.id = id;

     getDataFromlnfoCenter();

// 到資料庫中取得雇員資訊

private void getDataFromlnfoCenter() {

  // 和資料庫建立連接配接井查詢該雇員的資訊，将查詢結果指派

  // 給name，department，plone，salary等變量

  // 同一時候将origin指派為"From DataBase"

……

   這個Employee類的構造方法中我們能夠預見，假設每次須要查詢一個雇員的資訊。哪怕是幾秒中之前剛剛查詢過的，都要又一次建構一個執行個體，這是須要消耗非常多時間的。以下是一個對Employee對象進行緩存的緩存器的定義:

import java.lang.ref.ReferenceQueue;

import java.lang.ref.SoftReference;

import java.util.Hashtable;

public class EmployeeCache {

   static private EmployeeCache cache;// 一個Cache執行個體

   private Hashtable< String,EmployeeRef> employeeRefs;// 用于Chche内容的存儲

   private ReferenceQueue< Employee> q;// 垃圾Reference的隊列

   // 繼承SoftReference，使得每個執行個體都具有可識别的辨別。

     private class EmployeeRef extends SoftReference< Employee> {

      private String _key = "";

       public EmployeeRef(Employee em, ReferenceQueue< Employee> q) {

      super(em, q);

      _key = em.getID();

    }

   }

  // 建構一個緩存器執行個體

    private EmployeeCache() {

      employeeRefs = new Hashtable<String,EmployeeRef>();

       q = new ReferenceQueue<Employee>();

   }

    // 取得緩存器執行個體

public static EmployeeCache getInstance() {

    if (cache == null) {

       cache = new EmployeeCache();

    return cache;

  // 以軟引用的方式對一個Employee對象的執行個體進行引用并儲存該引用

   private void cacheEmployee(Employee em) {

    cleanCache();// 清除垃圾引用

     EmployeeRef ref = new EmployeeRef(em, q);

     employeeRefs.put(em.getID(), ref);

   // 根據所指定的ID号，又一次擷取對應Employee對象的執行個體

    public Employee getEmployee(String ID) {

       Employee em = null;

        // 緩存中是否有該Employee執行個體的軟引用，假設有，從軟引用中取得。

       if (employeeRefs.containsKey(ID)) {

          EmployeeRef ref = (EmployeeRef) employeeRefs.get(ID);

          em = (Employee) ref.get();

       }

// 假設沒有軟引用，或者從軟引用中得到的執行個體是null，又一次建構一個執行個體，

// 并儲存對這個建立執行個體的軟引用

if (em == null) {

   em = new Employee(ID);

    System.out.println("Retrieve From EmployeeInfoCenter. ID=" + ID);

    this.cacheEmployee(em);

   return em;

private void cleanCache() {

   EmployeeRef ref = null;

   while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {

    employeeRefs.remove(ref._key);

// 清除Cache内的所有内容

public void clearCache() {

   cleanCache();

    employeeRefs.clear();

    System.gc();

    System.runFinalization();