談談Java引用和Threadlocal的那些事

時間 2019-11-12

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1 背景

某一天在某一個羣裏面的某個羣友忽然提出了一個問題:"threadlocal的key是弱引用，那麼在threadlocal.get()的時候,發生GC以後，key是不是null？"屏幕前的你能夠好好的想一想這個問題，在這裏我先賣個關子，先講講Java中引用和ThreadLocal的那些事。java

2 Java中的引用

對於不少Java初學者來講，會把引用和對象給搞混淆。下面有一段代碼，git

User zhangsan = new User("zhangsan", 24);

這裏先提個問題zhangsan究竟是引用仍是對象呢？不少人會認爲zhangsan是個對象，若是你也是這樣認爲的話那麼再看一下下面一段代碼github

User zhangsan;
zhangsan = new User("zhangsan", 24);

這段代碼和開始的代碼其實執行效果是一致的，這段代碼的第一行User zhangsan，定義了zhangsan，那你認爲zhangsan仍是對象嗎？若是你還認爲的話，那麼這個對象應該是什麼呢？的確,zhangsan其實只是一個引用，對JVM內存劃分熟悉的同窗應該熟悉下面的圖片:數組

其實zhangsan是棧中分配的一個引用，而new User("zhangsan", 24)是在堆中分配的一個對象。而'='的做用是用來將引用指向堆中的對象的。就像你叫張三但張三是個名字而已並非一個實際的人，他只是指向的你。緩存

咱們通常所說的引用其實都是代指的強引用，在JDK1.2以後引用不止這一種，通常來講分爲四種:強引用，軟引用，弱引用，虛引用。而接下來我會一一介紹這四種引用。app

2.1 強引用

上面咱們說過了 User zhangsan = new User("zhangsan", 24);這種就是強引用，有點相似C的指針。對強引用他的特色有下面幾個:工具

強引用能夠直接訪問目標對象。
只要這個對象被強引用所關聯，那麼垃圾回收器都不會回收，那怕是拋出OOM異常。
容易致使內存泄漏。

2.2 軟引用

在Java中使用SoftReference幫助咱們定義軟引用。其構造方法有兩個:性能

public SoftReference(T referent);
public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q);

兩個構造方法類似，第二個比第一個多了一個引用隊列，在構造方法中的第一個參數就是咱們的實際被指向的對象，這裏用新建一個SoftReference來替代咱們上面強引用的等號。下面是構造軟引用的例子:學習

softZhangsan = new SoftReference(new User("zhangsan", 24));

2.2.1軟引用有什麼用？

若是某個對象他只被軟引用所指向，那麼他將會在內存要溢出的時候被回收，也就是當咱們要出現OOM的時候，若是回收了一波內存還不夠，這才拋出OOM,弱引用回收的時候若是設置了引用隊列，那麼這個軟引用還會進一次引用隊列，可是引用所指向的對象已經被回收。這裏要和下面的弱引用區分開來，弱引用是隻要有垃圾回收，那麼他所指向的對象就會被回收。下面是一個代碼例子:flex

public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<User> referenceQueue = new ReferenceQueue();
        SoftReference softReference = new SoftReference(new User("zhangsan",24), referenceQueue);
        //手動觸發GC
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("手動觸發GC:" + softReference.get());
        System.out.println("手動觸發的隊列:" + referenceQueue.poll());
        //經過堆內存不足觸發GC
        makeHeapNotEnough();
        System.out.println("經過堆內存不足觸發GC:" + softReference.get());
        System.out.println("經過堆內存不足觸發GC:" + referenceQueue.poll());
    }

    private static void makeHeapNotEnough() {
        SoftReference softReference = new SoftReference(new byte[1024*1024*5]);
        byte[] bytes = new byte[1024*1024*5];
    }
    輸出:
    手動觸發GC:User{name='zhangsan', age=24}
    手動觸發的隊列:null
    經過堆內存不足觸發GC:null
    經過堆內存不足觸發GC:java.lang.ref.SoftReference@4b85612c

經過-Xmx10m設置咱們堆內存大小爲10，方便構造堆內存不足的狀況。能夠看見咱們輸出的狀況咱們手動調用System.gc並無回收咱們的軟引用所指向的對象，只有在內存不足的狀況下才能觸發。

2.2.2軟引用的應用

在SoftReference的doc中有這麼一句話:

Soft references are most often used to implement memory-sensitive caches

也就是說軟引用常常用來實現內存敏感的高速緩存。怎麼理解這句話呢？咱們知道軟引用他只會在內存不足的時候才觸發，不會像強引用那用容易內存溢出，咱們能夠用其實現高速緩存，一方面內存不足的時候能夠回收，一方面也不會頻繁回收。在高速本地緩存Caffeine中實現了軟引用的緩存，當須要緩存淘汰的時候，若是是隻有軟引用指向那麼久會被回收。不熟悉Caffeine的同窗能夠閱讀深刻理解Caffeine

2.3 弱引用

弱引用在Java中使用WeakReference來定義一個弱引用，上面咱們說過他比軟引用更加弱，只要發生垃圾回收，若這個對象只被弱引用指向，那麼就會被回收。這裏咱們就很少廢話了，直接上例子:

public static void main(String[] args)  {
        WeakReference weakReference = new WeakReference(new User("zhangsan",24));
        System.gc();
        System.out.println("手動觸發GC:" + weakReference.get());
    }
輸出結果:
手動觸發GC:null

能夠看見上面的例子只要垃圾回收一觸發，該對象就被回收了。

2.3.1 弱引用的做用

在WeakReference的註釋中寫到:

Weak references are most often used to implement canonicalizing mappings.

從中能夠知道弱引用更多的是用來實現canonicalizing mappings(規範化映射)。在JDK中WeakHashMap很好的體現了這個例子:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        WeakHashMap<User, String> weakHashMap = new WeakHashMap();
        //強引用
        User zhangsan = new User("zhangsan", 24);
        weakHashMap.put(zhangsan, "zhangsan");
        System.out.println("有強引用的時候:map大小" + weakHashMap.size());
        //去掉強引用
        zhangsan = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("無強引用的時候:map大小"+weakHashMap.size());
    }
輸出結果爲:
有強引用的時候:map大小1
無強引用的時候:map大小0

能夠看出在GC以後咱們在map中的鍵值對就被回收了，在weakHashMap中其實只有Key是弱引用作關聯的，而後經過引用隊列再去對咱們的map進行回收處理。

2.4 虛引用

虛引用是最弱的引用，在Java中使用PhantomReference進行定義。弱到什麼地步呢？也就是你定義了虛引用根本沒法經過虛引用獲取到這個對象，更別談影響這個對象的生命週期了。在虛引用中惟一的做用就是用隊列接收對象即將死亡的通知。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
        PhantomReference phantomReference = new PhantomReference(new User("zhangsan", 24), referenceQueue);
        System.out.println("什麼也不作，獲取:" + phantomReference.get());
    }
輸出結果:
什麼也不作，獲取:null

在PhantomReference的註釋中寫到:

Phantom references are most often used for scheduling pre-mortem cleanup actions in a more flexible way than is possible with the Java finalization mechanism.

虛引用得最多的就是在對象死前所作的清理操做，這是一個比Java的finalization梗靈活的機制。在DirectByteBuffer中使用Cleaner用來回收對外內存，Cleaner是PhantomReference的子類，當DirectByteBuffer被回收的時候未防止內存泄漏因此經過這種方式進行回收，有點相似於下面的代碼:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Cleaner.create(new User("zhangsan", 24), () -> {System.out.println("我被回收了，當前線程:{}"+ Thread.currentThread().getName());});
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
    }
輸出:
我被回收了，當前線程:Reference Handler

3 ThreadLocal

ThreadLocal是一個本地線程副本變量工具類,基本在咱們的代碼中隨處可見。這裏就不過多的介紹他了。

3.1 ThreadLocal和弱引用的那些事

上面說了這麼多關於引用的事，這裏終於回到了主題了咱們的ThreadLocal和弱引用有什麼關係呢？

在咱們的Thread類中有下面這個變量:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals

ThreadLocalMap本質上也是個Map,其中Key是咱們的ThreadLocal這個對象，Value就是咱們在ThreadLocal中保存的值。也就是說咱們的ThreadLocal保存和取對象都是經過Thread中的ThreadLocalMap來操做的，而key就是自己。在ThreadLocalMap中Entry有以下定義:

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

能夠看見Entry是WeakReference的子類，而這個弱引用所關聯的對象正是咱們的ThreadLocal這個對象。咱們又回到上面的問題:

"threadlocal的key是弱引用，那麼在threadlocal.get()的時候,發生GC以後，key是不是null？"

這個問題晃眼一看，弱引用嘛，還有垃圾回收那確定是爲null，這實際上是不對的，由於題目說的是在作threadlocal.get()操做，證實其實仍是有強引用存在的。因此key並不爲null。若是咱們的強引用不存在的話，那麼Key就會被回收，也就是會出現咱們value沒被回收，key被回收，致使value永遠存在，出現內存泄漏。這也是ThreadLocal常常會被不少書籍提醒到須要remove()的緣由。

你也許會問看到不少源碼的ThreadLocal並無寫remove依然再用得很好呢？那實際上是由於不少源碼常常是做爲靜態變量存在的生命週期和Class是同樣的，而remove須要再那些方法或者對象裏面使用ThreadLocal，由於方法棧或者對象的銷燬從而強引用丟失，致使內存泄漏。