Java引用型別原理剖析

Java中一共有4種引用型別（其實還有一些其他的引用型別比如FinalReference）：強引用、軟引用、弱引用、虛引用。其中強引用就是我們經常使用的 Objecta=newObject（）； 這樣的形式，在Java中並沒有對應的Reference類。

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現，這三種引用型別都是繼承於Reference這個類，主要邏輯也在Reference中。

問題

在分析前，先拋幾個問題？

1。網上大多數文章對於軟引用的介紹是：在記憶體不足的時候才會被回收，那記憶體不足是怎麼定義的？什麼才叫記憶體不足？

2。網上大多數文章對於虛引用的介紹是：形同虛設，虛引用並不會決定物件的生命週期。主要用來跟蹤物件被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

3。虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？

Reference

我們先看下 Reference。java中的幾個欄位

一個Reference物件的生命週期如下：

主要分為Native層和Java層兩個部分。

Native層在GC時將需要被回收的Reference物件加入到DiscoveredList中（程式碼在 referenceProcessor。cpp中 process_discovered_references方法），

然後將DiscoveredList的元素移動到PendingList中

（程式碼在 referenceProcessor。cpp中 enqueue_discovered_ref_helper方法），

PendingList的隊首就是Reference類中的pending物件。 具體程式碼就不分析了，有興趣的同學可以看看這篇文章。

http：//www。

importnew。com/21628。htm

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看看Java層的程式碼

流程比較簡單：就是源源不斷的從PendingList中提取出元素，然後將其加入到ReferenceQueue中去，開發者可以透過從ReferenceQueue中poll元素感知到物件被回收的事件。

另外需要注意的是，對於Cleaner型別（繼承自虛引用）的物件會有額外的處理：在其指向的物件被回收時，會呼叫clean方法，該方法主要是用來做對應的資源回收，在堆外記憶體DirectByteBuffer中就是用Cleaner進行堆外記憶體的回收，這也是虛引用在java中的典型應用。

看完了Reference的實現，再看看幾個實現類裡，各自有什麼不同。

SoftReference

軟引用的實現很簡單，就多了兩個欄位： clock和 timestamp。 clock是個靜態變數，每次GC時都會將該欄位設定成當前時間。 timestamp欄位則會在每次呼叫get方法時將其賦值為 clock（如果不相等且物件沒被回收）。

那這兩個欄位的作用是什麼呢？這和軟引用在記憶體不夠的時候才被回收，又有什麼關係呢？

這些還得看JVM的原始碼才行，因為決定物件是否需要被回收都是在GC中實現的。

refs_lists中存放了本次GC發現的某種引用型別（虛引用、軟引用、弱引用等），而 process_discovered_reflist方法的作用就是將不需要被回收的物件從 refs_lists移除掉， refs_lists最後剩下的元素全是需要被回收的元素，最後會將其第一個元素賦值給上文提到過的 Reference。java#pending欄位。

ReferencePolicy一共有4種實現：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。其中NeverClearPolicy永遠返回false，代表永遠不回收SoftReference，在JVM中該類沒有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠返回true，在 referenceProcessor。hpp#setup方法中中可以設定policy為AlwaysClearPolicy，至於什麼時候會用到AlwaysClearPolicy，大家有興趣可以自行研究。

LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy的shouldclearreference方法則是完全相同：

timestmp_clock就是SoftReference的靜態欄位 clock， java_lang_ref_SoftReference：：timestamp（p）對應是欄位 timestamp。如果上次GC後有呼叫 SoftReference#get， interval值為0，否則為若干次GC之間的時間差。

_max_interval則代表了一個臨界值，它的值在LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy兩種策略中有差異。

其中 SoftRefLRUPolicyMSPerMB預設為1000，前者的計算方法和上次GC後可用堆大小有關，後者計算方法和（堆大小-上次gc時堆使用大小）有關。

看到這裡你就知道SoftReference到底什麼時候被被回收了，它和使用的策略（預設應該是LRUCurrentHeapPolicy），堆可用大小，該SoftReference上一次呼叫get方法的時間都有關係。

WeakReference

可以看到WeakReference在Java層只是繼承了Reference，沒有做任何的改動。那referent欄位是什麼時候被置為null的呢？要搞清楚這個問題我們再看下上文提到過的 process_discovered_reflist方法：

不管是弱引用還是其他引用型別，將欄位referent置null的操作都發生在 process_phase3中，而具體行為是由 clear_referent的值決定的。而 clear_referent的值則和引用型別相關。

可以看到，對於Soft references和Weak references clear_referent欄位傳入的都是true，這也符合我們的預期：物件不可達後，引用欄位就會被置為null，然後物件就會被回收（對於軟引用來說，如果記憶體足夠的話，在Phase 1，相關的引用就會從refslist中被移除，到Phase 3時refslist為空集合）。

但對於Final references和 Phantom references， clear_referent欄位傳入的是false，也就意味著被這兩種引用型別引用的物件，如果沒有其他額外處理，只要Reference物件還存活，那引用的物件是不會被回收的。Final references和物件是否重寫了finalize方法有關，不在本文分析範圍之內，我們接下來看看Phantom references。

PhantomReference

可以看到虛引用的get方法永遠返回null，我們看個demo。

從以上程式碼中可以看到，虛引用能夠在指向物件不可達時得到一個‘通知’（其實所有繼承References的類都有這個功能），需要注意的是GC完成後，phanRef。referent依然指向之前建立Object，也就是說Object物件一直沒被回收！

而造成這一現象的原因在上一小節末尾已經說了： 對於Finalreferences和Phantomreferences，clear_referent 欄位傳入的時false，也就意味著被這兩種引用型別引用的物件，如果沒有其他額外處理，在GC中是不會被回收的。

對於虛引用來說，從 refQueue。remove（）；得到引用物件後，可以呼叫 clear方法強行解除引用和物件之間的關係，使得物件下次可以GC時可以被回收掉。

End

針對文章開頭提出的幾個問題，看完分析，我們已經能給出回答：

1.我們經常在網上看到軟引用的介紹是：

在記憶體不足的時候才會回收，那記憶體不足是怎麼定義的？為什麼才叫記憶體不足？

軟引用會在記憶體不足時被回收，記憶體不足的定義和該引用物件get的時間以及當前堆可用記憶體大小都有關係，計算公式在上文中也已經給出。

2.網上對於虛引用的介紹是：

形同虛設，與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定物件的生命週期。主要用來跟蹤物件被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

嚴格的說，虛引用是會影響物件生命週期的，如果不做任何處理，只要虛引用不被回收，那其引用的物件永遠不會被回收。所以一般來說，從ReferenceQueue中獲得PhantomReference物件後，如果PhantomReference物件不會被回收的話（比如被其他GC ROOT可達的物件引用），需要呼叫 clear方法解除PhantomReference和其引用物件的引用關係。

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？

DirectByteBuffer中是用虛引用的子類 Cleaner。java來實現堆外記憶體回收的，後續會寫篇文章來說說堆外記憶體的裡裡外外。