Java对象的四种引用方式

本文会按照以下思路进行：

（1）Java的四种对象引用的基本概念

（2）四种对象引用的差异对比

（3）对象可及性的判断以及与垃圾回收机制的关系

（4）引用队列ReferenceQueue的介绍

（5）WeakHashMap的相关介绍

Java的四种对象引用的基本概念
从JDK1.2版本开始，把对象的引用分为四种级别，从而使程序更加灵活的控制对象的生命周期。这四种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

1、强引用

Object obj =new Object();

上述Object这类对象就具有强引用，属于不可回收的资源，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠回收具有强引用的对象，来解决内存不足的问题。

值得注意的是：如果想中断或者回收强引用对象，可以显式地将引用赋值为null，这样的话JVM就会在合适的时间，进行垃圾回收。

下图是堆区的内存示意图，分为新生代，老生代，而垃圾回收主要也是在这部分区域中进行。

2、软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，那么它的性质属于可有可无的那种。如果此时内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用，如图片缓存框架中缓存图片就是通过软引用实现。。软引用可用来实现内存敏感的告诉缓存。软引用可以和一个引用队列联合使用，如果软件用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

Object obj = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
SoftReference reference = new SoftReference(obj, queue);
//强引用对象滞空，保留软引用
obj = null;

当内存不足时，软引用对象被回收时，reference.get()为null，此时软引用对象的作用已经发挥完毕，这时将其添加进ReferenceQueue 队列中

如果要判断哪些软引用对象已经被清理：

SoftReference ref = null;
while ((ref = (SoftReference) queue.poll()) != null) {//清除软引用对象
}

3、弱引用(WeakReference)

如果一个对象具有弱引用，那其的性质也是可有可无的状态。

而弱引用和软引用的区别在于：弱引用的对象拥有更短的生命周期，只要垃圾回收器扫描到它，不管内存空间充足与否，都会回收它的内存。

同样的弱引用也可以和引用队列一起使用。

Object obj = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
WeakReference reference = new WeakReference(obj, queue);
//强引用对象滞空，保留软引用
obj = null;

应用场景：弱引用适用于内存敏感的缓存，如ThreadLocal中的key就用到了弱引用。

4、虚引用（PhantomReference）

虚引用和前面的软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

注意：虚引用必须和引用队列关联使用，当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

Object obj = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
PhantomReference reference = new PhantomReference(obj, queue);
//强引用对象滞空，保留软引用
obj = null;

引用总结

1.对于强引用，平时在编写代码时会经常使用。

2.而其他三种类型的引用，使用得最多就是软引用和弱引用，这两种既有相似之处又有区别，他们都来描述非必须对象。

3.被软引用关联的对象只有在内存不足时才会被回收，而被弱引用关联的对象在JVM进行垃圾回收时总会被回收。

四种对象引用的差异对比

Java中4种引用的级别由高到低依次为：

强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用

垃圾回收时对比：

对象可及性的判断

在很多的时候，一个对象并不是从根集直接引用的，而是一个对象被其他对象引用，甚至同时被几个对象所引用，从而构成一个以根集为顶的树形结构。

在这个树形的引用链中，箭头的方向代表了引用的方向，所指向的对象是被引用对象。由图可以看出，从根集到一个对象可以由很多条路径。比如到达对象5的路径就有① -> ⑤，③ ->⑦两条路径。由此带来了一个问题，那就是某个对象的可及性如何判断：

（1）单条引用路径可及性判断：

在这条路径中，最弱的一个引用决定对象的可及性。

（2）多条引用路径可及性判断：

几条路径中，最强的一条的引用决定对象的可及性。

比如，我们假设图2中引用①和③为强引用，⑤为软引用，⑦为弱引用，对于对象5按照这两个判断原则，路径①-⑤取最弱的引用⑤，因此该路径对对象5的引用为软引用。同样，③-⑦为弱引用。在这两条路径之间取最强的引用，于是对象5是一个软可及对象。

比较容易理解的是Java垃圾回收器会优先清理可及强度低的对象

另外两个重要的点：

强可达的对象一定不会被清理

JVM保证抛出out of memory之前，清理所有的软引用对象

最后总结成一张表格：

引用队列ReferenceQueue的介绍

引用队列配合Reference的子类等使用,当引用对象所指向的对象被垃圾回收后,该Reference则被追加到引用队列的末尾.

ReferenceQueue源码分析(简要)
(1)ReferenceQueue是一个链表,这两个指针代表着头和尾

   private Reference<? extends T> head = null;private Reference<? extends T> tail = null;

(2)下面看下其共有的方法

取出元素:

Reference<? extends T> ReferenceQueue#poll()

如果Reference指向的对象存在则返回null,否则返回这个Reference

public Reference<? extends T> poll() {synchronized (lock) {if (head == null)return null;return reallyPollLocked();}
}

下面是具体将Reference取出的方法:

private Reference<? extends T> reallyPollLocked() {if (head != null) {Reference<? extends T> r = head;if (head == tail) {tail = null;head = null;} else {head = head.queueNext;}//更新链表,将sQueueNextUnenqueued这个虚引用对象加入,并且已经表明该Reference已经被移除了,并且取出.r.queueNext = sQueueNextUnenqueued;return r;}return null;
}

取出元素,如果队列属于空队列,那么久阻塞到其有元素为止

Reference<? extends T> ReferenceQueue#remove()

和remove()的区别是,设置一个阻塞时间

Reference<? extends T> ReferenceQueue#remove(long timeout)

具体实现

   public Reference<? extends T> remove(long timeout)throws IllegalArgumentException, InterruptedException{if (timeout < 0) {throw new IllegalArgumentException("Negative timeout value");}synchronized (lock) {Reference<? extends T> r = reallyPollLocked();if (r != null) return r;long start = (timeout == 0) ? 0 : System.nanoTime();//阻塞的具体实现过程,以及通过时间来控制的阻塞for (;;) {lock.wait(timeout);r = reallyPollLocked();if (r != null) return r;if (timeout != 0) {long end = System.nanoTime();timeout -= (end - start) / 1000_000;if (timeout <= 0) return null;start = end;}}}}

WeakHashMap的相关介绍

在Java集合中有一种特殊的Map类型即WeakHashMap,在这种Map中存放了键对象的弱引用,当一个键对象被垃圾回收器回收时,那么相应的值对象的引用会从Map中删除.WeakHashMap能够节约储存空间,可用来缓存那些非必须存在的数据.而WeakHashMap是主要通过expungeStaleEntries()这个方法来实现的,而WeakHashMap也内置了一个ReferenceQueue,来获取键对象的引用情况.

这个方法,相当于遍历ReferenceQueue然后,将已经被回收的键对象,对应的值对象滞空.

private void expungeStaleEntries() {for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {synchronized (queue) {@SuppressWarnings("unchecked")Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x;int i = indexFor(e.hash, table.length);Entry<K,V> prev = table[i];Entry<K,V> p = prev;while (p != null) {Entry<K,V> next = p.next;if (p == e) {if (prev == e)table[i] = next;elseprev.next = next;// Must not null out e.next;// stale entries may be in use by a HashIterator//通过滞空,来帮助垃圾回收e.value = null; size--;break;}prev = p;p = next;}}}
}

而且需要注意的是:
expungeStaleEntries()并不是自动调用的,需要外部对WeakHashMap对象进行查询或者操作,才会进行自动释放的操作.如下我们看个例子:

下面例子是不断的增加1000*1000容量的WeakHashMap存入List中

public static void main(String[] args) throws Exception {  List<WeakHashMap<byte[][], byte[][]>> maps = new ArrayList<WeakHashMap<byte[][], byte[][]>>();  for (int i = 0; i < 1000; i++) {  WeakHashMap<byte[][], byte[][]> d = new WeakHashMap<byte[][], byte[][]>();  d.put(new byte[1000][1000], new byte[1000][1000]);  maps.add(d);  System.gc();  System.err.println(i);  }
}

由于Java默认内存是64M，所以再不改变内存参数的情况下，该测试跑不了几步循环就内存溢出了。果不其然，WeakHashMap这个时候并没有自动帮我们释放不用的内存。

public static void main(String[] args) throws Exception {  List<WeakHashMap<byte[][], byte[][]>> maps = new ArrayList<WeakHashMap<byte[][], byte[][]>>();  for (int i = 0; i < 1000; i++) {  WeakHashMap<byte[][], byte[][]> d = new WeakHashMap<byte[][], byte[][]>();  d.put(new byte[1000][1000], new byte[1000][1000]);  maps.add(d);  System.gc();  System.err.println(i);  for (int j = 0; j < i; j++) {  System.err.println(j+  " size" + maps.get(j).size());  }  }  }

而通过访问WeakHashMap的size()方法,这些就可以跑通了.

这样就能够说明了WeakHashMap并不是自动进行键值的垃圾回收操作的,而需要做对WeakHashMap的访问操作这时候才进行对键对象的垃圾回收清理.WeakHashMap的神话这篇帖子很棒,通过讨论WeakHashMap的回收问题,抛砖引玉.

来一张总结图:

由图可以看出,WeakHashMap中只要调用其操作方法,那么就会调用其expungeStaleEntries().

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