Java中的四種引用類(lèi)型：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用和虛引用

makeFoxPlay 發(fā)布于2019-08-16 12:30 / 1452人閱讀

摘要：虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于虛引用必須和引用隊(duì)列聯(lián)合使用。

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在Java中是由JVM負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配和回收，這是它的優(yōu)點(diǎn)（簡(jiǎn)化編程者的工作，不需要像C語(yǔ)言那樣去手動(dòng)操作內(nèi)存），但同時(shí)也是它的缺點(diǎn)（不夠靈活，垃圾回收對(duì)于編程者來(lái)說(shuō)是不可控的）。

在JDK1.2以前，如果一個(gè)對(duì)象不被任何變量引用，則程序無(wú)法再次使用這個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象最終會(huì)被GC（GabageCollection：垃圾回收）。但是如果之后可能還會(huì)用到這個(gè)對(duì)象，就只能去新建一個(gè)了，這其實(shí)就降低了JVM性能，沒(méi)有達(dá)到最大的優(yōu)化策略。

因此，從JDK1.2開(kāi)始，提供了四種類(lèi)型的引用：強(qiáng)引用（StrongReference）、軟引用（SoftReference）、弱引用（WeakReference）和虛引用（PhantomReference）。主要有兩個(gè)目的：

可以在代碼中決定某些對(duì)象的生命周期；

優(yōu)化JVM的垃圾回收機(jī)制。

關(guān)于GC

什么是 GC（GabageCollection）？
GC通常是運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的、優(yōu)先級(jí)比較低的線(xiàn)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并釋放“無(wú)效”的內(nèi)存。

什么是“無(wú)效"的內(nèi)存單元？
一般GC采用引用計(jì)數(shù)法來(lái)判斷一個(gè)內(nèi)存單元（一個(gè)變量）是否是無(wú)效的內(nèi)存。
引用計(jì)數(shù)法（引用計(jì)數(shù)法只是GC中一種常用的方法，還會(huì)用到年代方法等）是指一個(gè)變量或一塊內(nèi)存當(dāng)前被引用的次數(shù)，如果引用次數(shù)為0，則表示這個(gè)變量或這塊內(nèi)存未被引用，因此GC“有可能”去釋放它，為什么說(shuō)有可能？首先GC運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的、優(yōu)先級(jí)比較低的線(xiàn)程中，其次GC回收的具體工作也是比較復(fù)雜的，比如說(shuō)需要釋放大量?jī)?nèi)存的時(shí)候，而CPU資源又相對(duì)緊張，GC可能會(huì)選擇性地釋放一些內(nèi)存資源，具體回收方法取決于GC內(nèi)部的算法。

四種引用類(lèi)型 強(qiáng)引用

強(qiáng)引用是最普遍的引用，如果一個(gè)對(duì)象具有強(qiáng)引用，垃圾回收器不會(huì)回收該對(duì)象，當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，JVM 寧愿拋出 OutOfMemoryError異常；只有當(dāng)這個(gè)對(duì)象沒(méi)有被引用時(shí)，才有可能會(huì)被回收。

package com.lzumetal.jvmtest;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StrongReferenceTest {

    static class BigObject {
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];
    }


    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            BigObject obj = new BigObject();
            list.add(obj);
        }
    }
}

BigObject obj = new BigObject()創(chuàng)建的這個(gè)對(duì)象時(shí)就是強(qiáng)引用，上面的main方法最終將拋出OOM異常：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest$BigObject.(StrongReferenceTest.java:9)
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest.main(StrongReferenceTest.java:16)

軟引用

如果一個(gè)對(duì)象只具有軟引用，則

當(dāng)內(nèi)存空間足夠，垃圾回收器就不會(huì)回收它。

當(dāng)內(nèi)存空間不足了，就會(huì)回收該對(duì)象。
JVM會(huì)優(yōu)先回收長(zhǎng)時(shí)間閑置不用的軟引用的對(duì)象，對(duì)那些剛剛構(gòu)建的或剛剛使用過(guò)的“新”軟引用對(duì)象會(huì)盡可能保留。

如果回收完還沒(méi)有足夠的內(nèi)存，才會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常。只要垃圾回收器沒(méi)有回收它，該對(duì)象就可以被程序使用。

軟引用是用來(lái)描述一些有用但并不是必需的對(duì)象，適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存(比如瀏覽器的‘后退’按鈕使用的緩存)，內(nèi)存空間充足的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，如果空間不足了就將其回收掉。

軟引用在Java中用java.lang.ref.SoftReference類(lèi)來(lái)表示。為了方便測(cè)試，在下面這個(gè)示例中我設(shè)置了JVM的內(nèi)存為8M，在IDEA的Run——>EditConfigiratons中設(shè)置參數(shù)：-Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails

代碼：

package com.lzumetal.jvmtest;

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftReferenceTest {

    static class Person {

        private String name;
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("張三");
        SoftReference softReference = new SoftReference<>(person);
        
        person = null;  //去掉強(qiáng)引用，new Person("張三")的這個(gè)對(duì)象就只有軟引用了     

        System.gc();
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("軟引用的對(duì)象 ------->" + softReference.get());
    }
}

運(yùn)行main方法，控制臺(tái)輸出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->748K(7680K), 0.0118019 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1005K->496K(2048K)] 5346K->4868K(7680K), 0.0025626 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 496K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4372K->4773K(5632K)] 4868K->4773K(7680K), [Metaspace: 3466K->3466K(1056768K)], 0.0083134 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
軟引用的對(duì)象 ------->com.lzumetal.jvmtest.SoftReferenceTest$Person@6d6f6e28
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4773K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca9498,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3474K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

雖然調(diào)用System.gc()后JVM并不一定會(huì)立刻進(jìn)行GC操作，但從上面這段輸出可以看到JVM確實(shí)進(jìn)行了GC，但是軟引用的對(duì)象并沒(méi)有被回收掉，說(shuō)明現(xiàn)在內(nèi)存空間還足夠，JVM暫時(shí)還不會(huì)回收軟引用的對(duì)象。

把main方法改成如下：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("張三");
        SoftReference softReference = new SoftReference<>(person);

        person = null;//去掉強(qiáng)引用，new Person("張三")的這個(gè)對(duì)象就只有軟引用了

        Person anotherPerson = new Person("李四");
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("軟引用的對(duì)象 ------->" + softReference.get());
    }

因?yàn)檫@里JVM內(nèi)存只有8M，沒(méi)有足夠的空間同時(shí)保留兩個(gè)Person對(duì)象（我已經(jīng)測(cè)試過(guò)了：new兩個(gè)強(qiáng)引用的Person對(duì)象就會(huì)報(bào)OOM），所以當(dāng)我再new Person("李四")時(shí)，也是會(huì)觸發(fā)JVM的GC的，同時(shí)因?yàn)榍懊娴?b>new Person("張三")只有軟引用了，它會(huì)被回收掉。

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->664K(7680K), 0.0009884 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1006K->504K(2048K)] 5262K->4848K(7680K), 0.0077414 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4848K->4872K(7680K), 0.0017661 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4368K->4773K(5632K)] 4872K->4773K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0201011 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.02 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4773K->4773K(7680K), 0.0039905 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4773K->659K(5632K)] 4773K->659K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0103549 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
軟引用的對(duì)象 ------->null
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4c80,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3473K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

ReferenceQueue

SoftReference對(duì)象是用來(lái)保存軟引用，但它同時(shí)也是一個(gè)Java對(duì)象。所以，當(dāng)軟可及對(duì)象被回收之后，雖然這個(gè)SoftReference對(duì)象的get()方法返回null，但SoftReference對(duì)象本身并不是null，而此時(shí)這個(gè)SoftReference對(duì)象已經(jīng)不再具有存在的價(jià)值，需要一個(gè)適當(dāng)?shù)那宄龣C(jī)制，避免大量SoftReference對(duì)象帶來(lái)的內(nèi)存泄漏。

在java.lang.ref包里還提供了ReferenceQueue。如果在創(chuàng)建SoftReference對(duì)象的時(shí)候，使用了一個(gè)ReferenceQueue對(duì)象作為參數(shù)提供給SoftReference的構(gòu)造方法，如:

    Person person = new Person("張三");
    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
    SoftReference softReference = new SoftReference(person, queue);

在SoftReference所軟引用的Person對(duì)象被垃圾回收時(shí)，JVM會(huì)先將softReference對(duì)象添加到ReferenceQueue這個(gè)隊(duì)列中。當(dāng)我們調(diào)用ReferenceQueue的poll()方法，如果這個(gè)隊(duì)列中不是空隊(duì)列，那么將返回并移除前面添加的那個(gè)Reference對(duì)象。
還是上面的那個(gè)例子，測(cè)試代碼：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("張三");
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
        SoftReference softReference = new SoftReference(person, queue);

        person = null;//去掉強(qiáng)引用，new Person("張三")的這個(gè)對(duì)象就只有軟引用了

        Person anotherPerson = new Person("李四");
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("軟引用的對(duì)象 ------->" + softReference.get());

        Reference softPollRef = queue.poll();
        if (softPollRef != null) {
            System.err.println("SoftReference對(duì)象中保存的軟引用對(duì)象已經(jīng)被GC，準(zhǔn)備清理SoftReference對(duì)象");
            //清理softReference
        }
    }

控制臺(tái)輸出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->728K(7680K), 0.0022378 secs] [Times: user=0.03 sys=0.05, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1036K->504K(2048K)] 5356K->4840K(7680K), 0.0027540 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4840K->4840K(7680K), 0.0048557 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4336K->4774K(5632K)] 4840K->4774K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0087802 secs] [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4774K->4774K(7680K), 0.0005462 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4774K->659K(5632K)] 4774K->659K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0104794 secs] [Times: user=0.05 sys=0.02, real=0.01 secs] 
軟引用的對(duì)象 ------->null
SoftReference對(duì)象中保存的軟引用對(duì)象已經(jīng)被GC，準(zhǔn)備清理SoftReference對(duì)象
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4d70,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3476K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

弱引用

弱引用與軟引用的區(qū)別在于：只具有弱引用的對(duì)象擁有更短暫的生命周期，它只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。當(dāng)垃圾回收器掃描到只具有弱引用的對(duì)象時(shí)，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存空間是否足夠，都會(huì)回收它。不過(guò)，由于垃圾回收器是一個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的線(xiàn)程，因此不一定會(huì)很快發(fā)現(xiàn)那些只具有弱引用的對(duì)象。

弱引用也可以和一個(gè)引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用。

使用場(chǎng)景：一個(gè)對(duì)象只是偶爾使用，希望在使用時(shí)能隨時(shí)獲取，但也不想影響對(duì)該對(duì)象的垃圾收集，則可以考慮使用弱引用來(lái)指向該對(duì)象。

參考上面的代碼示例，測(cè)試弱引用：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("張三");
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
        WeakReference weakReference = new WeakReference(person, queue);

        person = null;//去掉強(qiáng)引用，new Person("張三")的這個(gè)對(duì)象就只有軟引用了

        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.err.println("弱引用的對(duì)象 ------->" + weakReference.get());

        Reference weakPollRef = queue.poll();   //poll()方法是有延遲的
        if (weakPollRef != null) {
            System.err.println("WeakReference對(duì)象中保存的弱引用對(duì)象已經(jīng)被GC，下一步需要清理該Reference對(duì)象");
            //清理softReference
        } else {
            System.err.println("WeakReference對(duì)象中保存的軟引用對(duì)象還沒(méi)有被GC，或者被GC了但是獲得對(duì)列中的引用對(duì)象出現(xiàn)延遲");
        }
    }

虛引用

與其他三種引用都不同，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。如果一個(gè)對(duì)象僅持有虛引用，那么它就和沒(méi)有任何引用一樣，在任何時(shí)候都可能被垃圾回收。

虛引用主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收的活動(dòng)。虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于：虛引用必須和引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用。當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會(huì)在回收對(duì)象的內(nèi)存之前，把這個(gè)虛引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。

Object object = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);

程序可以通過(guò)判斷引用隊(duì)列中是否已經(jīng)加入了虛引用，來(lái)了解被引用的對(duì)象是否將要被垃圾回收。程序如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì)列，那么就可以在所引用的對(duì)象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動(dòng)。

在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中一般很少使用弱引用與虛引用，使用軟引用的情況較多，這是因?yàn)檐浺每梢约铀貸VM對(duì)垃圾內(nèi)存的回收速度，可以維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，防止內(nèi)存溢出（OutOfMemory）等問(wèn)題的產(chǎn)生。

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