深入理解Java的分級引用模型

JVM · 發表 2018-10-12 08:44:59

摘要：作者陳彩華文章轉載交流請聯絡 [email protected] 複製程式碼本文通過探析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，知其然且知其所以然，希望給大家在實際開發實踐、學習開源專案提供參考。 1 Java的引用對於Jav...

作者 陳彩華
文章轉載交流請聯絡 [email protected]
複製程式碼

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， 知其然且知其所以然 ，希望給大家在實際開發實踐、學習開源專案提供參考。

1 Java的引用

對於Java中的垃圾回收機制來說，物件是否被應該回收的取決於該物件是否被引用。因此，引用也是JVM進行記憶體管理的一個重要概念。Java中是JVM負責記憶體的分配和回收，這是它的優點（使用方便，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物件重要性和優先順序，提高JVM記憶體回收的執行效率。

關於引用的定義，在JDK1.2之前，如果reference型別的資料中儲存的數值代表的是另一塊記憶體的起始地址，就稱為這塊記憶體代表著一個引用；JDK1.2之後，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分為強引用(Strong Reference)、軟引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虛引用(Phantom Reference)四種。

軟引用物件和弱應用物件主要用於：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，則可以拋棄這些物件。很多系統的快取功能都符合這樣的使用場景。

而虛引用物件用於替代不靠譜的finalize方法，可以獲取物件的回收事件，來做資源清理工作。

2 物件生命週期

## 2.1 無分級引用物件生命週期前面提到，分層引用的模型是用於記憶體回收，沒有分級引用物件下，一個物件從建立到回收的生命週期可以簡單地用下圖概括：物件被建立，被使用，有資格被收集，最終被收集，陰影區域表示物件“強可達”時間：

2.2 有分級引用物件生命週期

JDK1.2引入java.lang.ref程式包之後，物件的生命週期多了3個階段，軟可達，弱可達，虛可達，這些狀態僅適用於符合垃圾回收條件的物件，這些物件處於非強引用階段，而且需要基於java.lang.ref包中的相關的引用物件類來指示標明。

軟可達軟可達物件用SoftReference來指示標明，並沒有強引用，垃圾回收器會盡可能長時間地保留物件，但是會在丟擲OutOfMemoryError異常之前收集它。
弱可達弱可達物件用WeakReference來指示標明，並沒有強引用或軟引用，垃圾回收器會隨時回收物件，並不會嘗試保留它，但是會在丟擲OutOfMemoryError異常之前收集它。在物件回收階段中，該物件在major collection期間被回收，但是可以在minor collection期間存活
虛可達虛可達物件用PhantomReference來指示標明，它已經被標記選中進行垃圾回收並且它的finalizer(如果有)已經執行。在這種情況下，術語“可達”實際上是用詞不當，因為您無法訪問實際物件。

物件生命週期圖中新增三個新的可選狀態會造成一些困惑。邏輯順序上是從強可達到軟，弱和虛，最終到回收，但實際的情況取決於程式建立的參考物件。但如果建立WeakReference但不建立SoftReference，則物件直接從強可達到弱到達最終到收集。

3 強引用

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

Object obj = new Object();
String str = "hello world";
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只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收被引用的物件，即使在記憶體不足的情況下，JVM即使丟擲OutOfMemoryError異常也不會回收這種物件。

實際使用上，可以通過把引用顯示賦值為null來中斷物件與強引用之前的關聯，如果沒有任何引用執行物件，垃圾收集器將在合適的時間回收物件。

例如ArrayList類的remove方法中就是通過將引用賦值為null來實現清理工作的：

/**
* Removes the element at the specified position in this list.
* Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
* indices).
*
* @param index the index of the element to be removed
* @return the element that was removed from the list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);

modCount++;
E oldValue = elementData(index);

int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

return oldValue;
}
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4 引用物件

介紹軟引用、弱引用和虛引用之前，有必要介紹一下引用物件，引用物件是程式程式碼和其他物件之間的間接層，稱為引用物件。每個引用物件都圍繞物件的引用構造，並且不能更改引用值。

引用物件提供get()來獲得其引用值的一個強引用，垃圾收集器可能隨時回收引用值所指的物件。一旦物件被回收，get()方法將返回null，要正確使用引用物件，下面使用SoftReference(軟引用物件)作為參考示例：

/**
* 簡單使用demo
*/
private static void simpleUseDemo(){
List<String> myList = new ArrayList<>();
SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

List<String> list = refObj.get();
if (null != list) {
list.add("hello");
} else {
// 整個列表已經被垃圾回收了，做其他處理
}
}
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也就是說，使用時：

1、必須經常檢查引用值是否為null 垃圾收集器可能隨時回收引用物件，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物件返回的值垃圾收集器可能在任何時間回收引用物件，即使在一個表示式中間。

/**
* 正確使用引用物件demo
*/
private static void trueUseRefObjDemo(){
List<String> myList = new ArrayList<>();
SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

// 正確的使用，使用強引用指向物件保證獲得物件之後不會被回收
List<String> list = refObj.get();
if (null != list) {
list.add("hello");
} else {
// 整個列表已經被垃圾回收了，做其他處理
}
}

/**
* 錯誤使用引用物件demo
*/
private static void falseUseRefObjDemo(){
List<String> myList = new ArrayList<>();
SoftReference<List<String>> refObj = new SoftReference<>(myList);

// XXX 錯誤的使用，在檢查物件非空到使用物件期間，物件可能已經被回收
// 可能出現空指標異常
if (null != refObj.get()) {
refObj.get().add("hello");
}
}
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3、必須持有引用物件的強引用如果建立引用物件，沒有持有物件的強引用，那麼引用物件本身將被垃圾收集器回收。
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，引用物件的存在就是為了方便追蹤並高效垃圾回收。

5 軟引用、弱引用和虛引用

引用物件的3個重要實現類位於java.lang.ref包下，分別是軟引用SoftReference、弱引用WeakReference和虛引用PhantomReference。

5.1 軟引用

軟引用用來描述一些還有用但非必需的物件。對於軟引用關聯著的物件，在系統將要發生丟擲OutOfMemoryError異常之前，將會把這些物件列入回收範圍之內進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的記憶體，才會丟擲OutOfMemoryError異常。在JDK1.2之後，提供了SoftReference類來實現軟引用。

下面是一個使用示例：

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftRefDemo {
public static void main(String[] args) {
SoftReference<String> sr = new SoftReference<>( new String("hello world "));
// hello world
System.out.println(sr.get());
}
}

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JDK文件中提到：軟引用適用於對記憶體敏感的快取：每個快取物件都是通過訪問的 SoftReference，如果JVM決定需要記憶體空間，那麼它將清除回收部分或全部軟引用對應的物件。如果它不需要空間，則SoftReference指示物件保留在堆中，並且可以通過程式程式碼訪問。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，則需要重新整理快取。

實際使用上，要除非快取的物件非常大，每個數量級為幾千位元組，才值得考慮使用軟引用物件。例如：實現一個檔案伺服器，它需要定期檢索相同的檔案，或者需要快取大型物件圖。如果物件很小，必須清除很多物件才能產生影響，那麼不建議使用，因為清除軟引用物件會增加整個過程的開銷。

5.2 弱引用

弱引用也是用來描述非必需物件，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的物件只能生存到下一次垃圾收集傳送之前。當垃圾收集器工作時，無論當前記憶體是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的物件。

在JDK1.2之後，提供了WeakReference類來實現弱引用。

/**
* 簡單使用弱引用demo
*/
private static void simpleUseWeakRefDemo(){
WeakReference<String> sr = new WeakReference<>(new String("hello world " ));
// before gc -> hello world 
System.out.println("before gc -> " + sr.get());

// 通知JVM的gc進行垃圾回收
System.gc();
// after gc -> null
System.out.println("after gc -> " + sr.get());
}
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可以看到被弱引用關聯的物件，在gc之後被回收掉。有意思的地方是，如果把上面程式碼中的：

WeakReference<String> sr = new WeakReference<>(new String("hello world "));
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改為

WeakReference<String> sr = new WeakReference<>("hello world ");
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程式將輸出

before gc -> hello world 
after gc -> hello world 
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這是因為使用Java的String直接賦值和使用new區別在於：

new 會在堆區建立一個可以被正常回收的物件。
String直接賦值，會在Java StringPool(字串常量池)裡建立一個String物件，存於pergmen(永生代區)中，通常不會被gc回收。

WeakHashMap為了更方便使用弱引用，Java還提供了WeakHashMap，功能類似HashMap，內部實現是用弱引用對key進行包裝，當某個key物件沒有任何強引用指向，gc會自動回收key和value物件。

/**
*weakHashMap使用demo
*/
private static void weakHashMapDemo(){
WeakHashMap<String,String> weakHashMap = new WeakHashMap<>();
String key1 = new String("key1");
String key2 = new String("key2");
String key3 = new String("key3");
weakHashMap.put(key1, "value1");
weakHashMap.put(key2, "value2");
weakHashMap.put(key3, "value3");

// 使沒有任何強引用指向key1
key1 = null;

System.out.println("before gc weakHashMap = " + weakHashMap + " , size=" + weakHashMap.size());

// 通知JVM的gc進行垃圾回收
System.gc();
System.out.println("after gc weakHashMap = " + weakHashMap + " , size="+ weakHashMap.size());
}
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程式輸出：

before: gc weakHashMap = {key1=value1, key2=value2, key3=value3} , size=3
after: gc weakHashMap = {key2=value2, key3=value3} , size=2
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WeakHashMap比較適用於快取的場景，例如Tomcat的快取就用到。

5.3 引用佇列

介紹虛引用之前，先介紹引用佇列：在使用引用物件時，通過判斷get()方法返回的值是否為null來判斷物件是否已經被回收，當這樣做並不是非常高效，特別是當我們有很多引用物件，如果想找出哪些物件已經被回收，需要遍歷所有所有物件。

更好的方案是使用引用佇列，在構造引用物件時與佇列關聯，當gc（垃圾回收執行緒）準備回收一個物件時，如果發現它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該物件之前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯的引用佇列（ReferenceQueue）中。

如果一個軟引用（或弱引用，或虛引用）物件本身在引用佇列中，就說明該引用物件所指向的物件被回收了，所以要找出所有被回收的物件，只需要遍歷引用佇列。

當軟引用（或弱引用，或虛引用）物件所指向的物件被回收了，那麼這個引用物件本身就沒有價值了，如果程式中存在大量的這類物件（注意，我們建立的軟引用、弱引用、虛引用物件本身是個強引用，不會自動被gc回收），就會浪費記憶體。因此我們這就可以手動回收位於引用佇列中的引用物件本身。

/**
* 引用佇列demo
*/
private static void refQueueDemo() {
ReferenceQueue<String> refQueue = new ReferenceQueue<>();

// 用於檢查引用佇列中的引用值被回收
Thread checkRefQueueThread = new Thread(() -> {
while (true) {
Reference<? extends String> clearRef = refQueue.poll();
if (null != clearRef) {
System.out
.println("引用物件被回收, ref = " + clearRef + ", value = " + clearRef.get());
}
}
});
checkRefQueueThread.start();

WeakReference<String> weakRef1 = new WeakReference<>(new String("value1"), refQueue);
WeakReference<String> weakRef2 = new WeakReference<>(new String("value2"), refQueue);
WeakReference<String> weakRef3 = new WeakReference<>(new String("value3"), refQueue);

System.out.println("ref1 value = " + weakRef1.get() + ", ref2 value = " + weakRef2.get()
+ ", ref3 value = " + weakRef3.get());

System.out.println("開始通知JVM的gc進行垃圾回收");
// 通知JVM的gc進行垃圾回收
System.gc();
}
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程式輸出：

ref1 value = value1, ref2 value = value2, ref3 value = value3
開始通知JVM的gc進行垃圾回收
引用物件被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@48c6cd96, value=null
引用物件被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@46013afe, value=null
引用物件被回收, ref = java.lang.ref.WeakReference@423ea6e6, value=null
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5.4 虛引用

虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，不同於軟引用和弱引用，虛引用不用於訪問引用物件所指示的物件，相反，通過不斷輪詢虛引用物件關聯的引用佇列，可以得到物件回收事件。一個物件是否有虛引用的存在，完全不會對其生產時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個物件例項。雖然這看起來毫無意義，但它實際上可以用來做物件回收時 資源清理、釋放 ，它比finalize更靈活，我們可以基於虛引用做更安全可靠的物件關聯的資源回收。

finalize的問題
- Java語言規範並不保證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，垃圾收集器不會執行，finalize方法也不會被執行。
- 效能問題 JVM通常在單獨的低優先順序執行緒中完成finalize的執行。
- 物件再生問題 finalize方法中，可將待回收物件賦值給GC Roots可達的物件引用，從而達到物件再生的目的。

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

下面是簡單的使用例子，通過訪問引用佇列可以得到物件的回收事件：

/**
* 簡單使用虛引用demo
* 虛引用在實現一個物件被回收之前必須做清理操作是很有用的,比finalize()方法更靈活
*/
private static void simpleUsePhantomRefDemo() throws InterruptedException {
Object obj = new Object();
ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, refQueue);

// null
System.out.println(phantomRef.get());
// null
System.out.println(refQueue.poll());

obj = null;
// 通知JVM的gc進行垃圾回收
System.gc();

// null, 呼叫phantomRef.get()不管在什麼情況下會一直返回null
System.out.println(phantomRef.get());

// 當GC發現了虛引用，GC會將phantomRef插入進我們之前建立時傳入的refQueue佇列
// 注意，此時phantomRef物件，並沒有被GC回收，在我們顯式地呼叫refQueue.poll返回phantomRef之後
// 當GC第二次發現虛引用，而此時JVM將phantomRef插入到refQueue會插入失敗，此時GC才會對phantomRef物件進行回收
Thread.sleep(200);
Reference<?> pollObj = refQueue.poll();
// java.lang.ref.PhantomReference@1540e19d
System.out.println(pollObj);
if (null != pollObj) {
// 進行資源回收的操作
}
}
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比較常見的，可以基於虛引用實現JDBC連線池，鎖的釋放等場景。以連線池為例，呼叫方正常情況下使用完連線，需要把連線釋放回池中，但是不可避免有可能程式有bug，造成連線沒有正常釋放回池中。基於虛引用對Connection物件進行包裝，並關聯引用佇列，就可以通過輪詢引用佇列檢查哪些連線物件已經被GC回收，釋放相關連線資源。 ofollow,noindex">具體實現已上傳github的caison-blog-demo倉庫。

6 總結

對比一下幾種引用物件的不同：

引用型別	GC回收時間	常見用途	生存時間
強引用	永不	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	記憶體不足時終止
弱引用	GC時	物件快取	GC後終止

虛引用，配合引用佇列使用，通過不斷輪詢引用佇列獲取物件回收事件。

雖然引用物件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來快取從資料庫中讀取的資料。雖然可以使用弱引用來作為快取，但最終程式需要執行一定量的記憶體。如果不能給它足夠實際足夠的資源完成任何工作，那麼錯誤恢復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執行負載下，程式的記憶體佔用會達到穩定狀態，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隨著時間的推移而上升，很有可能是因為當物件不再使用時仍然擁有對物件的強引用。引用物件在這裡可能會有所幫助，但更有可能是把它當做一個bug來進行修復。

文章所有涉及原始碼已經上傳github，地址： github.com/caison/cais…