完全理解JVM常考題之分級引用模型

本文經過探析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，知其然且知其因此然，但願給你們在實際開發實踐、學習開源項目提供參考。

Java的引用

對於Java中的垃圾回收機制來講，對象是否被應該回收的取決於該對象是否被引用。所以，引用也是JVM進行內存管理的一個重要概念。Java中是JVM負責內存的分配和回收，這是它的優勢（使用方便，程序不用再像使用C語言那樣擔憂內存），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，能夠定義Java對象重要性和優先級，提升JVM內存回收的執行效率。

關於引用的定義，在JDK1.2以前，若是reference類型的數據中存儲的數值表明的是另外一塊內存的起始地址，就稱爲這塊內存表明着一個引用；JDK1.2以後，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分爲強引用(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於：當內存空間還足夠，則能保存在內存之中；若是內存空間在垃圾收集以後仍是很是緊張，則能夠拋棄這些對象。不少系統的緩存功能都符合這樣的使用場景。

而虛引用對象用於替代不靠譜的finalize方法，能夠獲取對象的回收事件，來作資源清理工做。

對象生命週期

無分級引用對象生命週期

前面提到，分層引用的模型是用於內存回收，沒有分級引用對象下，一個對象從建立到回收的生命週期能夠簡單地用下圖歸納：對象被建立，被使用，有資格被收集，最終被收集，陰影區域表示對象「強可達」時間：

對象生命週期(無分級引用)

有分級引用對象生命週期

JDK1.2引入java.lang.ref程序包以後，對象的生命週期多了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對象，這些對象處於非強引用階段，並且須要基於java.lang.ref包中的相關的引用對象類來指示標明。

軟可達

軟可達對象用SoftReference來指示標明，並無強引用，垃圾回收器會盡量長時間地保留對象，可是會在拋出OutOfMemoryError異常以前收集它。

弱可達

弱可達對象用WeakReference來指示標明，並無強引用或軟引用，垃圾回收器會隨時回收對象，並不會嘗試保留它，可是會在拋出OutOfMemoryError異常以前收集它。

在對象回收階段中，該對象在major collection期間被回收，可是能夠在minor collection期間存活

虛可達

虛可達對象用PhantomReference來指示標明，它已經被標記選中進行垃圾回收而且它的finalizer(若是有)已經運行。在這種狀況下，術語「可達」其實是用詞不當，由於您沒法訪問實際對象。

對象生命週期(有分級引用)

對象生命週期圖中添加三個新的可選狀態會形成一些困惑。邏輯順序上是從強可達到軟，弱和虛，最終到回收，但實際的狀況取決於程序建立的參考對象。但若是建立WeakReference但不建立SoftReference，則對象直接從強可達到弱到達最終到收集。

強引用

強引用就是指在程序代碼之中廣泛存在的，好比下面這段代碼中的obj和str都是強引用：

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，即便在內存不足的狀況下，JVM即便拋出OutOfMemoryError異常也不會回收這種對象。

實際使用上，能夠經過把引用顯示賦值爲null來中斷對象與強引用以前的關聯，若是沒有任何引用執行對象，垃圾收集器將在合適的時間回收對象。

例如ArrayList類的remove方法中就是經過將引用賦值爲null來實現清理工做的：

引用對象

介紹軟引用、弱引用和虛引用以前，有必要介紹一下引用對象，

引用對象是程序代碼和其餘對象之間的間接層，稱爲引用對象。每一個引用對象都圍繞對象的引用構造，而且不能更改引用值。

引用對象提供get()來得到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)做爲參考示例：

也就是說，使用時：

一、必須常常檢查引用值是否爲null

垃圾收集器可能隨時回收引用對象，若是輕率地使用引用值，早晚會獲得一個NullPointerException。

二、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什麼時候間回收引用對象，即便在一個表達式中間。

三、必須持有引用對象的強引用

若是建立引用對象，沒有持有對象的強引用，那麼引用對象自己將被垃圾收集器回收。

四、當引用值沒有被其餘強引用指向時，軟引用、弱引用和虛引用纔會發揮做用，引用對象的存在就是爲了方便追蹤並高效垃圾回收。

軟引用、弱引用和虛引用

引用對象的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。

軟引用

軟引用用來描述一些還有用但非必需的對象。對於軟引用關聯着的對象，在系統將要發生拋出OutOfMemoryError異常以前，將會把這些對象列入回收範圍以內進行第二次回收。若是此次回收尚未足夠的內存，纔會拋出OutOfMemoryError異常。在JDK1.2以後，提供了SoftReference類來實現軟引用。

下面是一個使用示例：

JDK文檔中提到：軟引用適用於對內存敏感的緩存：每一個緩存對象都是經過訪問的 SoftReference，若是JVM決定須要內存空間，那麼它將清除回收部分或所有軟引用對應的對象。若是它不須要空間，則SoftReference指示對象保留在堆中，而且能夠經過程序代碼訪問。在這種狀況下，當它們被積極使用時，它們被強引用，不然會被軟引用。若是清除了軟引用，則須要刷新緩存。

實際使用上，要除非緩存的對象很是大，每一個數量級爲幾千字節，才值得考慮使用軟引用對象。例如：實現一個文件服務器，它須要按期檢索相同的文件，或者須要緩存大型對象圖。若是對象很小，必須清除不少對象才能產生影響，那麼不建議使用，由於清除軟引用對象會增長整個過程的開銷。

弱引用

弱引用也是用來描述非必需對象，可是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的對象只能生存到下一次垃圾收集發送以前。當垃圾收集器工做時，不管當前內存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。

在JDK1.2以後，提供了WeakReference類來實現弱引用。

能夠看到被弱引用關聯的對象，在gc以後被回收掉。

有意思的地方是，若是把上面代碼中的：

改成

程序將輸出

這是由於使用Java的String直接賦值和使用new區別在於：

new 會在堆區建立一個能夠被正常回收的對象。

String直接賦值，會在Java StringPool(字符串常量池)裏建立一個String對象，存於pergmen(永生代區)中，一般不會被gc回收。

WeakHashMap

爲了更方便使用弱引用，Java還提供了WeakHashMap，功能相似HashMap，內部實現是用弱引用對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：

WeakHashMap比較適用於緩存的場景，例如Tomcat的緩存就用到。

引用隊列

介紹虛引用以前，先介紹引用隊列：

在使用引用對象時，經過判斷get()方法返回的值是否爲null來判斷對象是否已經被回收，當這樣作並非很是高效，特別是當咱們有不少引用對象，若是想找出哪些對象已經被回收，須要遍歷全部全部對象。

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，當gc（垃圾回收線程）準備回收一個對象時，若是發現它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該對象以前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯的引用隊列（ReferenceQueue）中。

若是一個軟引用（或弱引用，或虛引用）對象自己在引用隊列中，就說明該引用對象所指向的對象被回收了，因此要找出全部被回收的對象，只須要遍歷引用隊列。

當軟引用（或弱引用，或虛引用）對象所指向的對象被回收了，那麼這個引用對象自己就沒有價值了，若是程序中存在大量的這類對象（注意，咱們建立的軟引用、弱引用、虛引用對象自己是個強引用，不會自動被gc回收），就會浪費內存。所以咱們這就能夠手動回收位於引用隊列中的引用對象自己。

程序輸出：

虛引用

虛引用也稱爲幽靈引用或者幻影引用，不一樣於軟引用和弱引用，虛引用不用於訪問引用對象所指示的對象，相反，經過不斷輪詢虛引用對象關聯的引用隊列，能夠獲得對象回收事件。一個對象是否有虛引用的存在，徹底不會對其生產時間構成影響，也沒法經過虛引用來取得一個對象實例。雖然這看起來毫無心義，但它實際上能夠用來作對象回收時資源清理、釋放，它比finalize更靈活，咱們能夠基於虛引用作更安全可靠的對象關聯的資源回收。

finalize的問題

Java語言規範並不保證finalize方法會被及時地執行、並且根本不會保證它們會被執行

若是可用內存沒有被耗盡，垃圾收集器不會運行，finalize方法也不會被執行。

性能問題

JVM一般在單獨的低優先級線程中完成finalize的執行。

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，徹底可使用虛引用來實現。在JDK1.2以後，提供了PhantomReference類來實現虛引用。

下面是簡單的使用例子，經過訪問引用隊列能夠獲得對象的回收事件：

比較常見的，能夠基於虛引用實現JDBC鏈接池，鎖的釋放等場景。

以鏈接池爲例，調用方正常狀況下使用完鏈接，須要把鏈接釋放回池中，可是不可避免有可能程序有bug，形成鏈接沒有正常釋放回池中。基於虛引用對Connection對象進行包裝，並關聯引用隊列，就能夠經過輪詢引用隊列檢查哪些鏈接對象已經被GC回收，釋放相關鏈接資源。具體實現已上傳github的caison-blog-demo倉庫。

總結

對比一下幾種引用對象的不一樣：

虛引用，配合引用隊列使用，經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很是有用的工具來管理你的內存消耗，但有時它們是不夠的，或者是過分設計的 。例如，使用一個Map來緩存從數據庫中讀取的數據。雖然可使用弱引用來做爲緩存，但最終程序須要運行必定量的內存。若是不能給它足夠實際足夠的資源完成任何工做，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爲何會發生，也許真的是程序有bug，也許是可用內存設置的過低。

在開發過程當中，應該制定程序具體的使用內存大小，而已要關注實際使用中用了多少內存。大多數應用程序在實際運行負載下，程序的內存佔用會達到穩定狀態，能夠用此來做爲參考來設置合理的堆大小。若是程序的內存使用量隨着時間的推移而上升，頗有多是由於當對象再也不使用時仍然擁有對對象的強引用。引用對象在這裏可能會有所幫助，但更有多是把它當作一個bug來進行修復。

歡迎工做一到五年的Java工程師朋友們加入Java填坑之路：860113481

羣內提供免費的Java架構學習資料（裏面有高可用、高併發、高性能及分佈式、Jvm性能調優、Spring源碼，MyBatis，Netty,Redis,Kafka,Mysql,Zookeeper,Tomcat,Docker,Dubbo,Nginx等多個知識點的架構資料）合理利用本身每一分每一秒的時間來學習提高本身，不要再用"沒有時間「來掩飾本身思想上的懶惰！趁年輕，使勁拼，給將來的本身一個交代！