作者 陳彩華
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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。

假設垃圾收集器在某個時間點確定物件是弱可達的。 那時它將原子地清除該弱可達引用物件關聯的物件。

• 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。

物件生命週期圖中出現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，例如：String str = String( "Hello"); JVM首先在string池內裡面看找不找到字串 "Hello"，找到，不做任何事情； 否則，建立新的String物件，放到String常量池裡面(常量池Hotspot1.7之前存於永生代，Hotspot1.7和1.7之後的版本存於堆區，通常不會被gc回收)。同時，由於遇到了new，還會在記憶體上（不是String常量池裡面）建立String物件儲存 "Hello"，並將記憶體上的（不是String池內的）String物件返回給str。

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。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…

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參考

Java Reference Objects

《深入理解Java虛擬機器——JVM高階特性與最佳實踐(第2版)》

Java核心技術36講

深入拆解 Java 虛擬機器

Java 如何有效地避免OOM：善於利用軟引用和弱引用

Java幽靈引用的作用

oracle官方文件