Java 中的四種引用

• 2019 年 10 月 22 日
• 筆記

之前我們提到過 GC，但當 Java 中引用的對象越來越多，會導致內存空間不足，最終會產生錯誤 OutOfMemoryError，並讓應用程序終止。那為什麼 GC 在此時不能多收集一些對象呢？這就和今天說的引用類型有關了。

首先，從 JDK1.2 開始，對象的引用被劃分為4種級別，從而使程序能更加靈活地控制對象的生命周期。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。如果一個對象具有強引用，那麼它永遠不會被 GC。例如：

    Object strongReference = new Object();

當內存空間不足時，JVM 寧願拋出OutOfMemoryError，使程序異常終止，也不會靠隨意回收具有強引用的對象來解決內存不足的問題。

如果強引用對象不使用時，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;      }

顯式地設置強引用對象為null，或讓其超出對象的生命周期範圍，則垃圾回收器認為該對象不存在引用，就會回收這個對象。具體什麼時候收集這要取決於具體的垃圾回收器。

軟引用

如果一個對象只具有軟引用(Soft Reference)，當內存空間充足時，垃圾回收器就不會回收它；如果內存空間不足了，就會回收這些對象的內存。只要垃圾回收器沒有回收它，該對象就可以被程序使用。讓我們來看一個例子具體了解一下：

    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對象進行回收。

軟引用的使用場景多是內存敏感的高速緩存。具體來說，就是我們希望將數據存放到緩存中，這樣可以快速進行讀取。但是，當 JVM 中內存不夠用時，我們又不希望緩存數據會佔用到 JVM 的內存。例如配合ReferenceQueue，如果軟引用所引用對象被垃圾回收，JVM 就會把這個軟引用加入到與之關聯的引用隊列中：

    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，如果使用軟引用緩存，有可能導致Full GC增多。

弱引用

如果一個對象只具有弱引用(Weak Reference)，其生命周期相比於軟引用更加短暫。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前內存空間足夠與否，都會對它進行回收。不過，由於垃圾回收器是一個優先級很低的線程，因此不一定會很快發現那些只具有弱引用的對象。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 分配的內存不足的時候，HashMap 寧可拋出 OutOfMemoryError 異常，也不會回收其相應的沒有被引用的對象，而 WeakHashMap 則會回收存儲在其中但有被引用的對象。

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去回收這些存儲的值了。假如我們特地傳入 key 為 null 的鍵，WeakHashMap 會將鍵設置為特殊的 Oject，源碼為：

    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，虛引用並不會決定對象的生命周期。如果一個對象僅持有虛引用，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區別在於：

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，如果發現它還有虛引用，就會在回收對象的內存之前，把這個虛引用加入到與之關聯的引用隊列中。

例如：

    String str = new String("abc");      ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();      // 創建虛引用，要求必須與一個引用隊列關聯      PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);

程序可以通過判斷引用隊列中是否已經加入了虛引用，來了解被引用的對象是否將要進行垃圾回收。如果程序發現某個虛引用已經被加入到引用隊列，那麼就可以在所引用的對象的內存被回收之前採取必要的行動，也可以理解為一種回調方法。

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：

有興趣的話可以訪問我的博客或者關注我的公眾號、頭條號，說不定會有意外的驚喜。

https://death00.github.io/