彻底理解JVM常考题之分级引用模型
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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(fā)實踐、學習開源項目提供參考。
Java的引用
對于Java中的垃圾回收機制來說，對象是否被應該回收的取決于該對象是否被引用。因此，引用也是JVM進行內(nèi)存管理的一個重要概念。Java中是JVM負責內(nèi)存的分配和回收，這是它的優(yōu)點（使用方便，程序不用再像使用C語言那樣擔心內(nèi)存），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對象重要性和優(yōu)先級，提高JVM內(nèi)存回收的執(zhí)行效率。
關于引用的定義，在JDK1.2之前，如果reference類型的數(shù)據(jù)中存儲的數(shù)值代表的是另一塊內(nèi)存的起始地址，就稱為這塊內(nèi)存代表著一個引用；JDK1.2之后，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。
軟引用對象和弱應用對象主要用于：當內(nèi)存空間還足夠，則能保存在內(nèi)存之中；如果內(nèi)存空間在垃圾收集之后還是非常緊張，則可以拋棄這些對象。很多系統(tǒng)的緩存功能都符合這樣的使用場景。
而虛引用對象用于替代不靠譜的finalize方法，可以獲取對象的回收事件，來做資源清理工作。
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對象生命周期
無分級引用對象生命周期
前面提到，分層引用的模型是用于內(nèi)存回收，沒有分級引用對象下，一個對象從創(chuàng)建到回收的生命周期可以簡單地用下圖概括：對象被創(chuàng)建，被使用，有資格被收集，最終被收集，陰影區(qū)域表示對象“強可達”時間：
有分級引用對象生命周期
JDK1.2引入java.lang.ref程序包之后，對象的生命周期多了3個階段，軟可達，弱可達，虛可達，這些狀態(tài)僅適用于符合垃圾回收條件的對象，這些對象處于非強引用階段，而且需要基于java.lang.ref包中的相關的引用對象類來指示標明。
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軟可達
軟可達對象用SoftReference來指示標明，并沒有強引用，垃圾回收器會盡可能長時間地保留對象，但是會在拋出OutOfMemoryError異常之前收集它。 -
弱可達
弱可達對象用WeakReference來指示標明，并沒有強引用或軟引用，垃圾回收器會隨時回收對象，并不會嘗試保留它，但是會在拋出OutOfMemoryError異常之前收集它。
在對象回收階段中，該對象在major collection期間被回收，但是可以在minor collection期間存活 -
虛可達?
虛可達對象用PhantomReference來指示標明，它已經(jīng)被標記選中進行垃圾回收并且它的finalizer(如果有)已經(jīng)運行。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對象。
對象生命周期圖中添加三個新的可選狀態(tài)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，但實際的情況取決于程序創(chuàng)建的參考對象。但如果創(chuàng)建WeakReference但不創(chuàng)建SoftReference，則對象直接從強可達到弱到達最終到收集。
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強引用
強引用就是指在程序代碼之中普遍存在的，比如下面這段代碼中的obj和str都是強引用：
Object?obj?=?new?Object(); String?str?=?"hello?world";只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收被引用的對象，即使在內(nèi)存不足的情況下，JVM即使拋出OutOfMemoryError異常也不會回收這種對象。
實際使用上，可以通過把引用顯示賦值為null來中斷對象與強引用之前的關聯(lián)，如果沒有任何引用執(zhí)行對象，垃圾收集器將在合適的時間回收對象。
例如ArrayList類的remove方法中就是通過將引用賦值為null來實現(xiàn)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?workreturn?oldValue;}?
引用對象
介紹軟引用、弱引用和虛引用之前，有必要介紹一下引用對象，
引用對象是程序代碼和其他對象之間的間接層，稱為引用對象。每個引用對象都圍繞對象的引用構造，并且不能更改引用值。
引用對象提供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對象。
一旦對象被回收，get()方法將返回null，要正確使用引用對象，下面使用SoftReference(軟引用對象)作為參考示例：
也就是說，使用時：
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1、必須經(jīng)常檢查引用值是否為null
垃圾收集器可能隨時回收引用對象，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對象返回的值
垃圾收集器可能在任何時間回收引用對象，即使在一個表達式中間。
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3、必須持有引用對象的強引用
如果創(chuàng)建引用對象，沒有持有對象的強引用，那么引用對象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(fā)揮作用，引用對象的存在就是為了方便追蹤并高效垃圾回收。
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軟引用、弱引用和虛引用
引用對象的3個重要實現(xiàn)類位于java.lang.ref包下，分別是軟引用SoftReference、弱引用WeakReference和虛引用PhantomReference。
軟引用
軟引用用來描述一些還有用但非必需的對象。對于軟引用關聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生拋出OutOfMemoryError異常之前，將會把這些對象列入回收范圍之內(nèi)進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出OutOfMemoryError異常。在JDK1.2之后，提供了SoftReference類來實現(xiàn)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?worldSystem.out.println(sr.get());} }JDK文檔中提到：軟引用適用于對內(nèi)存敏感的緩存：每個緩存對象都是通過訪問的 SoftReference，如果JVM決定需要內(nèi)存空間，那么它將清除回收部分或全部軟引用對應的對象。如果它不需要空間，則SoftReference指示對象保留在堆中，并且可以通過程序代碼訪問。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，則需要刷新緩存。
實際使用上，要除非緩存的對象非常大，每個數(shù)量級為幾千字節(jié)，才值得考慮使用軟引用對象。例如：實現(xiàn)一個文件服務器，它需要定期檢索相同的文件，或者需要緩存大型對象圖。如果對象很小，必須清除很多對象才能產(chǎn)生影響，那么不建議使用，因為清除軟引用對象會增加整個過程的開銷。
弱引用
弱引用也是用來描述非必需對象，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)送之前。當垃圾收集器工作時，無論當前內(nèi)存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯(lián)的對象。
在JDK1.2之后，提供了WeakReference類來實現(xiàn)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?->?nullSystem.out.println("after?gc?->?"?+?sr.get());}可以看到被弱引用關聯(lián)的對象，在gc之后被回收掉。
有意思的地方是，如果把上面代碼中的：
改為
WeakReference<String>?sr?=?new?WeakReference<>("hello?world?");程序將輸出
before?gc?->?hello?world? after?gc?->?hello?world?這是因為使用Java的String直接賦值和使用new區(qū)別在于：
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new 會在堆區(qū)創(chuàng)建一個可以被正常回收的對象。
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String直接賦值，會在Java StringPool(字符串常量池)里創(chuàng)建一個String對象，存于pergmen(永生代區(qū))中，通常不會被gc回收。
WeakHashMap
為了更方便使用弱引用，Java還提供了WeakHashMap，功能類似HashMap，內(nèi)部實現(xiàn)是用弱引用對key進行包裝，當某個key對象沒有任何強引用指向，gc會自動回收key和value對象。
程序輸出：
before:?gc?weakHashMap?=?{key1=value1,?key2=value2,?key3=value3}?,?size=3 after:?gc?weakHashMap?=?{key2=value2,?key3=value3}?,?size=2WeakHashMap比較適用于緩存的場景，例如Tomcat的緩存就用到。
引用隊列
介紹虛引用之前，先介紹引用隊列：
在使用引用對象時，通過判斷get()方法返回的值是否為null來判斷對象是否已經(jīng)被回收，當這樣做并不是非常高效，特別是當我們有很多引用對象，如果想找出哪些對象已經(jīng)被回收，需要遍歷所有所有對象。
更好的方案是使用引用隊列，在構造引用對象時與隊列關聯(lián)，當gc（垃圾回收線程）準備回收一個對象時，如果發(fā)現(xiàn)它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該對象之前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯(lián)的引用隊列（ReferenceQueue）中。
如果一個軟引用（或弱引用，或虛引用）對象本身在引用隊列中，就說明該引用對象所指向的對象被回收了，所以要找出所有被回收的對象，只需要遍歷引用隊列。
當軟引用（或弱引用，或虛引用）對象所指向的對象被回收了，那么這個引用對象本身就沒有價值了，如果程序中存在大量的這類對象（注意，我們創(chuàng)建的軟引用、弱引用、虛引用對象本身是個強引用，不會自動被gc回收），就會浪費內(nèi)存。因此我們這就可以手動回收位于引用隊列中的引用對象本身。
????/***?引用隊列demo*/private?static?void?refQueueDemo()?{ReferenceQueue<String>?refQueue?=?new?ReferenceQueue<>();//?用于檢查引用隊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("引用對象被回收,?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();}程序輸出：
ref1?value?=?value1,?ref2?value?=?value2,?ref3?value?=?value3 開始通知JVM的gc進行垃圾回收 引用對象被回收,?ref?=?java.lang.ref.WeakReference@48c6cd96,?value=null 引用對象被回收,?ref?=?java.lang.ref.WeakReference@46013afe,?value=null 引用對象被回收,?ref?=?java.lang.ref.WeakReference@423ea6e6,?value=null虛引用
虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，不同于軟引用和弱引用，虛引用不用于訪問引用對象所指示的對象，相反，通過不斷輪詢虛引用對象關聯(lián)的引用隊列，可以得到對象回收事件。一個對象是否有虛引用的存在，完全不會對其生產(chǎn)時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。雖然這看起來毫無意義，但它實際上可以用來做對象回收時資源清理、釋放，它比finalize更靈活，我們可以基于虛引用做更安全可靠的對象關聯(lián)的資源回收。
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finalize的問題
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Java語言規(guī)范并不保證finalize方法會被及時地執(zhí)行、而且根本不會保證它們會被執(zhí)行
如果可用內(nèi)存沒有被耗盡，垃圾收集器不會運行，finalize方法也不會被執(zhí)行。 -
性能問題
JVM通常在單獨的低優(yōu)先級線程中完成finalize的執(zhí)行。 -
對象再生問題
finalize方法中，可將待回收對象賦值給GC Roots可達的對象引用，從而達到對象再生的目的。
針對不靠譜finalize方法，完全可以使用虛引用來實現(xiàn)。在JDK1.2之后，提供了PhantomReference類來實現(xiàn)虛引用。
下面是簡單的使用例子，通過訪問引用隊列可以得到對象的回收事件：
????/***?簡單使用虛引用demo*?虛引用在實現(xiàn)一個對象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);//?nullSystem.out.println(phantomRef.get());//?nullSystem.out.println(refQueue.poll());obj?=?null;//?通知JVM的gc進行垃圾回收System.gc();//?null,?調(diào)用phantomRef.get()不管在什么情況下會一直返回nullSystem.out.println(phantomRef.get());//?當GC發(fā)現(xiàn)了虛引用，GC會將phantomRef插入進我們之前創(chuàng)建時傳入的refQueue隊列//?注意，此時phantomRef對象，并沒有被GC回收，在我們顯式地調(diào)用refQueue.poll返回phantomRef之后//?當GC第二次發(fā)現(xiàn)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對象進行回收Thread.sleep(200);Reference<?>?pollObj?=?refQueue.poll();//?java.lang.ref.PhantomReference@1540e19dSystem.out.println(pollObj);if?(null?!=?pollObj)?{//?進行資源回收的操作}}比較常見的，可以基于虛引用實現(xiàn)JDBC連接池，鎖的釋放等場景。
以連接池為例，調(diào)用方正常情況下使用完連接，需要把連接釋放回池中，但是不可避免有可能程序有bug，造成連接沒有正常釋放回池中。基于虛引用對Connection對象進行包裝，并關聯(lián)引用隊列，就可以通過輪詢引用隊列檢查哪些連接對象已經(jīng)被GC回收，釋放相關連接資源。具體實現(xiàn)已上傳github的caison-blog-demo倉庫。
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總結
對比一下幾種引用對象的不同：
| 強引用 | 永不 | 對象的一般狀態(tài) | JVM停止運行時 |
| 軟引用 | 內(nèi)存不足時 | 對象緩存 | 內(nèi)存不足時終止 |
| 弱引用 | GC時 | 對象緩存 | GC后終止 |
虛引用，配合引用隊列使用，通過不斷輪詢引用隊列獲取對象回收事件。
雖然引用對象是一個非常有用的工具來管理你的內(nèi)存消耗，但有時它們是不夠的，或者是過度設計的 。例如，使用一個Map來緩存從數(shù)據(jù)庫中讀取的數(shù)據(jù)。雖然可以使用弱引用來作為緩存，但最終程序需要運行一定量的內(nèi)存。如果不能給它足夠實際足夠的資源完成任何工作，那么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么會發(fā)生，也許真的是程序有bug，也許是可用內(nèi)存設置的太低。
在開發(fā)過程中，應該制定程序具體的使用內(nèi)存大小，而已要關注實際使用中用了多少內(nèi)存。大多數(shù)應用程序在實際運行負載下，程序的內(nèi)存占用會達到穩(wěn)定狀態(tài)，可以用此來作為參考來設置合理的堆大小。如果程序的內(nèi)存使用量隨著時間的推移而上升，很有可能是因為當對象不再使用時仍然擁有對對象的強引用。引用對象在這里可能會有所幫助，但更有可能是把它當做一個bug來進行修復。
文章所有涉及源碼已經(jīng)上傳github，地址：https://github.com/caison/caison-blog-demo，可以點擊查看原文獲取。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的彻底理解JVM常考题之分级引用模型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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