這次把Java的四種引用一次性說清楚

前幾天在CodeReview的時候，看到了一個用WeakHashMap的程式碼，進而聊到了WeakReference，再聊到Java四種引用型別。

回想了一下，上次學習Java的強軟弱虛四種引用型別，還是在準備面試的時候。平時用得不多，一下子竟然想不清楚它們的區別，只記得它們的強度依次遞減。

下來又看了一下這方面的文章，今天好好把它們理清楚。

四種引用的區別

其實四種引用的區別在於GC的時候，對它們的處理不同。用一句話來概括，就是：如果一個物件GC Root可達，強引用不會被回收，軟引用在記憶體不足時會被回收，弱引用在這個物件第一次GC會被回收。

如果GC Root不可達，那不論什麼引用，都會被回收

虛引用比較特殊，等於沒有引用，不會影響物件的生命週期，但可以在物件被收集器回收時收到一個系統通知。

下面結合案例分別來講一下四種引用在面對GC時的表現以及它們的常見用途。先設定一下JVM的引數：

-Xms20M 
-Xmx20M 
-Xmn10M 
-verbose
:gc 
-XX
:+PrintGCDetails

強引用

這就是我們平時最常使用的引用。只要GC的時候這個物件GC Root可達，它就不會被回收。如果JVM記憶體不夠了，直接丟擲OOM。比如下面這段程式碼就會丟擲OutOfMemoryError：

public 
static 
void 
main
(String[] args) {

    List<Object> 
list = 
new LinkedList<>();

    
for (
int i = 
0; i < 
21; i++) {

        
list.add(
new byte[
1024 * 
1024]);

    }

}

軟引用

軟引用，當GC的時候，如果GC Root可達，如果記憶體足夠，就不會被回收；如果記憶體不夠用，會被回收。將上面的例子改成軟引用，就不會被OOM：

public 
static 
void 
main(
String[] args) {

    List<Object> list = 
new LinkedList<>();

    
for (
int i = 
0; i < 
21; i++) {

        SoftReference<
byte[]> softReference = 
new SoftReference<>(
new 
byte[
1024 * 
1024]);

        list.
add(softReference);

    }

}

我們把程式改造一下，列印出GC後的前後的差別：

public 
static 
void 
main(
String[] args) {

    List<SoftReference<
byte[]>> list = 
new LinkedList<>();

    
for (
int i = 
0; i < 
21; i++) {

        SoftReference<
byte[]> softReference = 
new SoftReference<>(
new 
byte[
1024 * 
1024]);

        list.
add(softReference);

        System.
out.println(
"gc前:" + softReference.
get());

    }

    System.gc();

    
for (SoftReference<
byte[]> softReference : list) {

        System.
out.println(
"gc後:" + softReference.
get());

    }

}

會發現，列印出的日誌，GC前都是有值的，而GC後，會有一些是null，代表它們已經被回收。

而我們設定的堆最大為20M，如果把迴圈次數改成15，就會發現列印出的日誌，GC後沒有為null的。但透過-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails引數能發現，JVM還是進行了幾次GC的，只是由於記憶體還夠用，所以沒有回收。

public 
static 
void 
main(
String[] args) {

    List<SoftReference<
byte[]>> list = 
new LinkedList<>();

    
for (
int i = 
0; i < 
15; i++) {

        SoftReference<
byte[]> softReference = 
new SoftReference<>(
new 
byte[
1024 * 
1024]);

        list.
add(softReference);

        System.
out.println(
"gc前:" + softReference.
get());

    }

    System.gc();

    
for (SoftReference<
byte[]> softReference : list) {

        System.
out.println(
"gc後:" + softReference.
get());

    }

}

所以軟引用的常見用途就呼之欲出了：快取。尤其是那種希望這個快取能夠持續時間長一點的。

弱引用

軟引用，只要這個物件發生GC，就會被回收。

把上面的程式碼改成軟引用，會發現列印出的日誌，GC後全部為null。

public 
static 
void 
main(
String[] args) {

    List<WeakReference<
byte[]>> list = 
new LinkedList<>();

    
for (
int i = 
0; i < 
15; i++) {

        WeakReference<
byte[]> weakReference = 
new WeakReference<>(
new 
byte[
1024 * 
1024]);

        list.
add(weakReference);

        System.
out.println(
"gc前:" + weakReference.
get());

    }

    System.gc();

    
for (WeakReference<
byte[]> weakReference : list) {

        System.
out.println(
"gc後:" + weakReference.
get());

    }

}

所以弱引用也適合用來做快取，不過由於它是隻要發生GC就會被回收，所以存活的時間比軟引用短得多，通常用於做一些非常臨時的快取。

我們知道，WeakHashMap內部是透過弱引用來管理entry的。它的鍵是“弱鍵”，所以在GC時，它對應的鍵值對也會從Map中刪除。

Tomcat中有一個ConcurrentCache，用到了WeakHashMap，結合ConcurrentHashMap，實現了一個執行緒安全的快取，感興趣的同學可以研究一下原始碼，程式碼非常精簡，加上所有註釋，只有短短59行。

ThreadLocal中的靜態內部類ThreadLocalMap裡面的entry是一個WeakReference的繼承類。

使用弱引用，使得ThreadLocalMap知道ThreadLocal物件是否已經失效，一旦該物件失效，也就是成為垃圾，那麼它所操控的Map裡的資料也就沒有用處了，因為外界再也無法訪問，進而決定擦除Map中相關的值物件，Entry物件的引用，來保證Map總是保持儘可能的小。

虛引用

虛引用的設計和上面三種引用有些不同，它並不影響GC，而是為了在物件被GC時，能夠收到一個系統通知。

那它是怎麼被通知的呢？虛引用必須要配合ReferenceQueue，當GC準備回收一個物件，如果發現它還有虛引用，就會在回收之前，把這個虛引用加入到與之關聯的ReferenceQueue中。

那NIO是如何利用虛引用來管理記憶體的呢？

DirectBuffer直接從Java堆之外申請一塊記憶體, 這塊記憶體是不直接受JVM GC管理的, 也就是說在GC演算法中並不會直接操作這塊記憶體. 這塊記憶體的GC是由於DirectBuffer在Java堆中的物件被GC後, 透過一個通知機制, 而將其清理掉的.

DirectBuffer內部有一個Cleaner。這個Cleaner是PhantomReference的子類。當DirectBuffer物件被回收之後, 就會通知到PhantomReference。然後由ReferenceHandler呼叫tryHandlePending()方法進行pending處理. 如果pending不為空, 說明DirectBuffer被回收了, 就可以呼叫Cleaner的clean()進行回收了。

上面這個方法的程式碼在Reference類裡面，有興趣的同學可以去看一下那個方法的原始碼。

總結

以上就是Java中四種引用的區別。一般來說，強引用我們都知道，虛引用很少用到。而軟引用和弱引用的區別在於回收的時機：軟引用GC時，發現記憶體不夠才回收，弱引用只要一GC就會回收。