之前我們提到過 GC，但當 Java 中引用的物件越來越多，會導致記憶體空間不足，最終會產生錯誤 OutOfMemoryError，並讓應用程式終止。那為什麼 GC 在此時不能多收集一些物件呢？這就和今天說的引用型別有關了。

首先，從 JDK1.2 開始，物件的引用被劃分為4種級別，從而使程式能更加靈活地控制物件的生命週期。這4種級別由高到低依次為：強引用、軟引用、弱引用和虛引用。

強引用

強引用(Strong Reference)是使用最普遍的引用。如果一個物件具有強引用，那麼它永遠不會被 GC。例如：

    Object strongReference = new Object();

當記憶體空間不足時，JVM 寧願丟擲OutOfMemoryError

，使程式異常終止，也不會靠隨意回收具有強引用的物件來解決記憶體不足的問題。

如果強引用物件不使用時，需要弱化從而可以被 GC，例如ArrayList中的clear()方法：

    /**
     * Removes all of the elements from this list.  The list will
     * be empty after this call returns.
     */
    public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }
 

顯式地設定強引用物件為null，或讓其超出物件的生命週期範圍，則垃圾回收器認為該物件不存在引用，就會回收這個物件。具體什麼時候收集這要取決於具體的垃圾回收器。

軟引用

如果一個物件只具有軟引用(Soft Reference)，當記憶體空間充足時，垃圾回收器就不會回收它；如果記憶體空間不足了，就會回收這些物件的記憶體。只要垃圾回收器沒有回收它，該物件就可以被程式使用。讓我們來看一個例子具體瞭解一下：

    String str = new String("abc");
    SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str);
    String result = softReference.get();
 

讓我們來看一下get()：

    public T get() {
        T o = super.get();
        // timestamp代表上一次軟引用上一次被使用的時間(初始化、get())
        // clock代表上一次GC的時間
        if (o != null && this.timestamp != clock)
            this.timestamp = clock;
        return o;
    }

因此，軟引用在被垃圾回收時，也遵循LRU法則，優先回收最近最少被使用的物件進行回收。

軟引用的使用場景多是記憶體敏感的快取記憶體。具體來說，就是我們希望將資料存放到快取中，這樣可以快速進行讀取。但是，當 JVM 中記憶體不夠用時，我們又不希望快取資料會佔用到 JVM 的記憶體。例如配合ReferenceQueue，如果軟引用所引用物件被垃圾回收，JVM 就會把這個軟引用加入到與之關聯的引用佇列中：

    ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    String str = new String("abc");
    SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue);

    str = null;
    // Notify GC
    System.gc();

    System.out.println(softReference.get()); // abc

    Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll();
    System.out.println(reference); //null

但是需要注意的是，如果使用軟引用快取，有可能導致Full GC增多。

弱引用

如果一個物件只具有弱引用(Weak Reference)，其生命週期相比於軟引用更加短暫。在垃圾回收器執行緒掃描它所管轄的記憶體區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的物件，不管當前記憶體空間足夠與否，都會對它進行回收。不過，由於垃圾回收器是一個優先順序很低的執行緒，因此不一定會很快發現那些只具有弱引用的物件。其使用為：

    String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    str = weakReference.get();

講到弱引用，就不得不提到WeakHashMap。和HashMap相比，當我們給 JVM 分配的記憶體不足的時候，HashMap 寧可丟擲 OutOfMemoryError 異常，也不會回收其相應的沒有被引用的物件，而 WeakHashMap 則會回收儲存在其中但有被引用的物件。

WeakHashMap 通過將一些沒有被引用的鍵的值賦值為 null ，這樣的話就會告知GC去回收這些儲存的值了。假如我們特地傳入 key 為 null 的鍵，WeakHashMap 會將鍵設定為特殊的 Oject，原始碼為：

    public V put(K key, V value) {
        // key會被重新賦值
        Object k = maskNull(key);
        int h = hash(k);
        Entry<K,V>[] tab = getTable();
        int i = indexFor(h, tab.length);

        for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
            if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
                V oldValue = e.value;
                if (value != oldValue)
                    e.value = value;
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        Entry<K,V> e = tab[i];
        tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
        if (++size >= threshold)
            resize(tab.length * 2);
        return null;
    }

    /**
     * Value representing null keys inside tables.
     * 特殊的key
     */
    private static final Object NULL_KEY = new Object();

    /**
     * Use NULL_KEY for key if it is null.
     */
    private static Object maskNull(Object key) {
        return (key == null) ? NULL_KEY : key;
    }

虛引用

虛引用(PhantomReference),顧名思義，就是形同虛設。與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定物件的生命週期。如果一個物件僅持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。

虛引用主要用來跟蹤物件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區別在於：

虛引用必須和引用佇列(ReferenceQueue)聯合使用。當垃圾回收器準備回收一個物件時，如果發現它還有虛引用，就會在回收物件的記憶體之前，把這個虛引用加入到與之關聯的引用佇列中。

例如：

    String str = new String("abc");
    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
    // 建立虛引用，要求必須與一個引用佇列關聯
    PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);

程式可以通過判斷引用佇列中是否已經加入了虛引用，來了解被引用的物件是否將要進行垃圾回收。如果程式發現某個虛引用已經被加入到引用佇列，那麼就可以在所引用的物件的記憶體被回收之前採取必要的行動，也可以理解為一種回撥方法。

總結

Java 中4種引用的級別和強度由高到低依次為：強引用 -> 軟引用 -> 弱引用 -> 虛引用

通過表格，說明其特性：

引用型別	被垃圾回收的時間	使用場景	生存時間
強引用	從來不會	物件的一般狀態	JVM停止執行時
軟引用	記憶體不足時	物件快取	記憶體不足時
弱引用	正常垃圾回收時	物件快取	垃圾回收後終止
虛引用	正常垃圾回收時	跟蹤物件的垃圾回收	垃圾回收後終止

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