JVM之四种引用类型（五）

JVM 系列吊打面试官：说一下 Java 的四种引用类型

四种引种类型

1.强引用

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

2.软引用

软引用需要用 SoftReference 类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

3.弱引用

弱引用需要用 WeakReference 类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

4.虚引用

虚引用需要 PhantomReference 类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

我将它们的区别概括为 3 个维度：

维度 1 - 对象可达性状态的区别： 强引用指向的对象是强可达的，而其他引用指向的对象都是弱可达的。当一个对象存在到 GC Root 的引用链时，该对象被认为是强可达的。只有强可达的对象才会认为是存活的对象，才能保证在垃圾收集的过程中不会被回收；
维度 2 - 垃圾回收策略的区别： 除了影响对象的可达性状态，不同的引用类型还会影响垃圾收集器回收对象的激进程度：
- 强引用： 强引用指向的对象不会被垃圾收集器回收；
- 软引用： 软引用是相对于强引用更激进的策略，软引用指向的对象在内存充足时会从垃圾收集器中豁免，起到类似强引用的效果，但在内存不足时还是会被垃圾收集器回收。那么软引用通常是用于实现内存敏感的缓存，当有足够空闲内存时保留内存，当空闲内存不足时清理缓存，避免缓存耗尽内存；
- 弱引用和虚引用： 弱引用和虚引用是相对于软引用更激进的策略，弱引用指向的对象无论在内存是否充足的时候，都会被垃圾收集器回收；
维度 3 - 感知垃圾回收时机： 虚引用主要的作用是提供了一个感知对象被垃圾回收的机制。在虚拟机即将回收对象之前，如果发现对象还存在虚引用，则会在回收对象后会将引用加入到关联的引用队列中。程序可以通过观察引用队列的方式，来感知到对象即将被垃圾回收的时机，再采取必要的措施。例如 Java Cleaner 工具类，就是基于虚引用实现的回收工具类。需要特别说明的是，并不是只有虚引用才能与引用队列关联，软引用和弱引用都可以与引用队列关联，只是说虚引用唯一的作用就是感知对象垃圾回收时机。

除了我们熟悉的四大引用，虚拟机内部还设计了一个 @hide 的FinalizerReference 引用，用于支持 Java Finalizer 机制，更多内容见 Finalizer 机制。

指针、引用和句柄有什么区别？

引用、指针和句柄都具有指向对象地址的含义，可以将它们都简单地理解为一个内存地址。只有在具体的问题中，才需要区分它们的含义：

1、引用（Reference）： 引用是 Java 虚拟机为了实现灵活的对象生命周期管理而实现的对象包装类，引用本身并不持有对象数据，而是通过直接指针或句柄 2 种方式来访问真正的对象数据；
2、指针（Point）： 指针也叫直接指针，它表示对象数据在内存中的地址，通过指针就可以直接访问对象数据；
3、句柄（Handler）： 句柄是一种特殊的指针，句柄持有指向对象实例数据和类型数据的指针。使用句柄的优点是让对象在垃圾收集的过程中移动存储区域的话，虚拟机只需要改变句柄中的指针，而引用持有的句柄是稳定的。缺点是需要两次指针访问才能访问到对象数据。

直接指针访问：

句柄访问：

引用使用方法

这一节我们来讨论如何将引用与引用队列的使用方法。

使用引用对象

1、创建引用对象： 直接通过构造器创建引用对象，并且直接在构造器中传递关联的实际对象和引用队列。引用队列可以为空，但虚引用必须关联引用队列，否则没有意义；
2、获取实际对象： 在实际对象被垃圾收集器回收之前，通过 Reference#get() 可以获取实际对象，在实际对象被回收之后 get() 将返回 null，而虚引用调用 get() 方法永远是返回 null；
3、解除关联关系： 调用 Reference#clear() 可以提前解除关联关系。

get() 和 clear() 最终是调用 native 方法，我们在后文分析。

SoftReference.java
// 已简化
public class SoftReference<T> extends Reference<T> {

    public SoftReference(T referent) {
        super(referent);
    }

    public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }
}
WeakReference.java
public class WeakReference<T> extends Reference<T> {

    public WeakReference(T referent) {
        super(referent);
    }

    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }
}
PhantomReference.java
public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {

    // 虚引用 get() 永远返回 null
    public T get() {
        return null;
    }

    // 虚引用必须管理引用队列，否则没有意义
    public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }
}
Reference.java
// 引用对象公共父类
public abstract class Reference<T> {

    // 虚拟机内部使用
    volatile T referent;

    // 关联引用队列
    final ReferenceQueue<? super T> queue;
 
    Reference(T referent) {
        this(referent, null);
    }

    Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = queue;
    }

    // 获取引用指向的实际对象
    public T get() {
        // 调用 Native 方法
        return getReferent();
    }

    @FastNative
    private final native T getReferent();

    // 解除引用与实际对象的关联关系
    public void clear() {
        // 调用 Native 方法
        clearReferent();
    }

    @FastNative
    native void clearReferent();
    ...
}

引用队列使用模板

以下为 ReferenceQueue 的使用模板，主要分为 2 个阶段：

阶段 1： 创建引用队列实例，并在创建引用对象时关联该队列；
阶段 2： 对象在被垃圾回收后，引用对象会被加入引用队列（根据下文源码分析，引用对象在进入引用队列的时候，实际对象已经被回收了）。通过观察 ReferenceQueue#poll() 的返回值可以感知对象垃圾回收的时机。

示例程序
// 阶段 1：
// 创建对象
String strongRef = new String("abc");
// 1、创建引用队列
ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
// 2、创建引用对象，并关联引用队列
WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<>(strongRef, referenceQueue);
System.out.println("weakRef 1:" + weakRef);
// 3、断开强引用
strongRef = null;

System.gc();

// 阶段 2：
// 延时 5000 是为了提高 "abc" 被回收的概率
view.postDelayed(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(weakRef.get()); // 输出 null
        // 观察引用队列
        Reference<? extends String> ref = referenceQueue.poll();
        if (null != ref) {
            System.out.println("weakRef 2:" + ref);
            // 虽然可以获取到 Reference 对象，但无法获取到引用原本指向的对象
            System.out.println(ref.get()); // 输出 null
        }
    }
}, 5000);
程序输出
I/System.out: weakRef 1:java.lang.ref.WeakReference@3286da7
I/System.out: null
I/System.out: weakRef 2:java.lang.ref.WeakReference@3286da7
I/System.out: null

ReferenceQueue 中大部分 API 是面向 Java 虚拟机内部的，只有 ReferenceQueue#poll() 是面向开发者的。它是非阻塞 API，在队列有数据时返回队头的数据，而在队列为空时直接返回 null。

ReferenceQueue.java
public Reference<? extends T> poll() {
    synchronized (lock) {
        if (head == null)
            return null;

        return reallyPollLocked();
    }
}

工具类 Cleaner 使用模板

Cleaner 是虚引用的工具类，用于实现在对象被垃圾回收时额外执行一段清理逻辑，本质上只是将虚引用和引用队列等代码做了简单封装而已。以下为 Cleaner 的使用模板：

示例程序
// 1、创建对象
String strongRef = new String("abc");
// 2、创建清理逻辑
CleanerThunk thunk = new CleanerThunk();
// 3、创建 Cleaner 对象（本质上是一个虚引用）
Cleaner cleaner = Cleaner.create(strongRef, thunk);

private class CleanerThunk implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 清理逻辑
    }
}
Cleaner.java
// Cleaner 只不过是虚引用的工具类而已
public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {
    ...
}