理解Java的强引用、软引用、弱引用和虚引用

Bertha 。 2023-09-23 12:54 128阅读 0赞

## 前言 ##

`Java`执行`GC`判断对象是否**存活**有两种方式其中一种是**引用计数**。

> **引用计数**：Java堆中每一个对象都有一个引用计数属性，引用每新增1次计数加1，引用每释放1次计数减1。

在`JDK 1.2`以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于(`reachable`)**可达状态**，程序才能使用它。

从`JDK 1.2`版本开始，对象的引用被划分为`4`种级别，从而使程序能更加灵活地控制**对象的生命周期**。这`4`种级别**由高到低**依次为：**强引用**、**软引用**、**弱引用**和**虚引用**。

![format_png][]

## 正文 ##

### 1. 强引用(StrongReference) ###

**强引用**是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那**垃圾回收器**绝不会回收它。如下：

Object strongReference = new Object();
    复制代码

当**内存空间不足**时，`Java`虚拟机宁愿抛出`OutOfMemoryError`错误，使程序**异常终止**，也不会靠随意**回收**具有**强引用**的**对象**来解决内存不足的问题。 如果强引用对象**不使用时**，需要弱化从而使`GC`能够回收，如下：

strongReference = null;
    复制代码

显式地设置`strongReference`对象为`null`，或让其**超出**对象的**生命周期**范围，则`gc`认为该对象**不存在引用**，这时就可以回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于`GC`算法。

public void test() {
            Object strongReference = new Object();
            // 省略其他操作
        }
    复制代码

在一个**方法的内部**有一个**强引用**，这个引用保存在`Java`**栈**中，而真正的引用内容(`Object`)保存在`Java`**堆**中。 当这个**方法运行完成**后，就会退出**方法栈**，则引用对象的**引用数**为`0`，这个对象会被回收。

但是如果这个`strongReference`是**全局变量**时，就需要在不用这个对象时赋值为`null`，因为**强引用**不会被垃圾回收。

**ArrayList的Clear方法：**

![format_png 1][]

在`ArrayList`类中定义了一个`elementData`数组，在调用`clear`方法清空数组时，每个数组元素被赋值为`null`。 不同于`elementData=null`，强引用仍然存在，避免在后续调用`add()`等方法添加元素时进行内存的**重新分配**。 使用如`clear()`方法**内存数组**中存放的**引用类型**进行**内存释放**特别适用，这样就可以及时释放内存。

### 2. 软引用(SoftReference) ###

如果一个对象只具有**软引用**，则**内存空间充足**时，**垃圾回收器**就**不会**回收它；如果**内存空间不足**了，就会**回收**这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

> 软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

// 强引用
        String strongReference = new String("abc");
        // 软引用
        String str = new String("abc");
        SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);
    复制代码

**软引用**可以和一个**引用队列**(`ReferenceQueue`)联合使用。如果**软引用**所引用对象被**垃圾回收**，`JAVA`虚拟机就会把这个**软引用**加入到与之关联的**引用队列**中。

ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        String str = new String("abc");
        SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue);
    
        str = null;
        // Notify GC
        System.gc();
    
        System.out.println(softReference.get()); // abc
    
        Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll();
        System.out.println(reference); //null
    复制代码

> 注意：软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，JVM什么时候扫描回收对象是JVM自己的状态决定的。就算扫描到软引用对象也不一定会回收它，只有内存不够的时候才会回收。

当内存不足时，`JVM`首先将**软引用**中的**对象**引用置为`null`，然后通知**垃圾回收器**进行回收：

if(JVM内存不足) {
            // 将软引用中的对象引用置为null
            str = null;
            // 通知垃圾回收器进行回收
            System.gc();
        }
    复制代码

也就是说，**垃圾收集线程**会在虚拟机抛出`OutOfMemoryError`之前回**收软引用对象**，而且**虚拟机**会尽可能优先回收**长时间闲置不用**的**软引用对象**。对那些**刚构建**的或刚使用过的\*\*"较新的"**软对象会被虚拟机尽可能**保留\*\*，这就是引入**引用队列**`ReferenceQueue`的原因。

**应用场景：**

浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了。

1.  如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建；
2.  如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出。

这时候就可以使用软引用，很好的解决了实际的问题：

// 获取浏览器对象进行浏览
        Browser browser = new Browser();
        // 从后台程序加载浏览页面
        BrowserPage page = browser.getPage();
        // 将浏览完毕的页面置为软引用
        SoftReference softReference = new SoftReference(page);
    
        // 回退或者再次浏览此页面时
        if(softReference.get() != null) {
            // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
            page = softReference.get();
        } else {
            // 内存不足，软引用的对象已经回收
            page = browser.getPage();
            // 重新构建软引用
            softReference = new SoftReference(page);
        }
    复制代码

### 3. 弱引用(WeakReference) ###

**弱引用**与**软引用**的区别在于：只具有**弱引用**的对象拥有**更短暂**的**生命周期**。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有**弱引用**的对象，不管当前**内存空间足够与否**，都会**回收**它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个**优先级很低的线程**，因此**不一定**会**很快**发现那些只具有**弱引用**的对象。

String str = new String("abc");
        WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
        str = null;
    复制代码

`JVM`首先将**软引用**中的**对象**引用置为`null`，然后通知**垃圾回收器**进行回收：

str = null;
        System.gc();
    复制代码

> 注意：如果一个对象是偶尔(很少)的使用，并且希望在使用时随时就能获取到，但又不想影响此对象的垃圾收集，那么你应该用Weak Reference来记住此对象。

下面的代码会让一个**弱引用**再次变为一个**强引用**：

String str = new String("abc");
        WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
        // 弱引用转强引用
        String strongReference = weakReference.get();
    复制代码

同样，**弱引用**可以和一个**引用队列**(`ReferenceQueue`)联合使用，如果**弱引用**所引用的**对象**被**垃圾回收**，`Java`虚拟机就会把这个**弱引用**加入到与之关联的**引用队列**中。

**简单测试：**

GCTarget.java

public class GCTarget {
        // 对象的ID
        public String id;
    
        // 占用内存空间
        byte[] buffer = new byte[1024];
    
        public GCTarget(String id) {
            this.id = id;
        }
    
        protected void finalize() throws Throwable {
            // 执行垃圾回收时打印显示对象ID
            System.out.println("Finalizing GCTarget, id is : " + id);
        }
    }
    复制代码

GCTargetWeakReference.java

public class GCTargetWeakReference extends WeakReference<GCTarget> {
        // 弱引用的ID
        public String id;
    
        public GCTargetWeakReference(GCTarget gcTarget,
                  ReferenceQueue<? super GCTarget> queue) {
            super(gcTarget, queue);
            this.id = gcTarget.id;
        }
    
        protected void finalize() {
            System.out.println("Finalizing GCTargetWeakReference " + id);
        }
    }
    复制代码

WeakReferenceTest.java

public class WeakReferenceTest {
        // 弱引用队列
        private final static ReferenceQueue<GCTarget> REFERENCE_QUEUE = new ReferenceQueue<>();
    
        public static void main(String[] args) {
            LinkedList<GCTargetWeakReference> gcTargetList = new LinkedList<>();
    
            // 创建弱引用的对象，依次加入链表中
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                GCTarget gcTarget = new GCTarget(String.valueOf(i));
                GCTargetWeakReference weakReference = new GCTargetWeakReference(gcTarget,
                    REFERENCE_QUEUE);
                gcTargetList.add(weakReference);
    
                System.out.println("Just created GCTargetWeakReference obj: " +
                    gcTargetList.getLast());
            }
    
            // 通知GC进行垃圾回收
            System.gc();
    
            try {
                // 休息几分钟，等待上面的垃圾回收线程运行完成
                Thread.sleep(6000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            // 检查关联的引用队列是否为空
            Reference<? extends GCTarget> reference;
            while((reference = REFERENCE_QUEUE.poll()) != null) {
                if(reference instanceof GCTargetWeakReference) {
                    System.out.println("In queue, id is: " +
                        ((GCTargetWeakReference) (reference)).id);
                }
            }
        }
    }
    复制代码

运行`WeakReferenceTest.java`，运行结果如下：

![format_png 2][]

可见`WeakReference`对象的生命周期基本由**垃圾回收器**决定，一旦垃圾回收线程发现了**弱引用对象**，在下一次`GC`过程中就会对其进行回收。

### 4. 虚引用(PhantomReference) ###

**虚引用**顾名思义，就是**形同虚设**。与其他几种引用都不同，**虚引用**并**不会**决定对象的**生命周期**。如果一个对象**仅持有虚引用**，那么它就和**没有任何引用**一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

**应用场景：**

**虚引用**主要用来**跟踪对象**被垃圾回收器**回收**的活动。 **虚引用**与**软引用**和**弱引用**的一个区别在于：

> 虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

String str = new String("abc");
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
        // 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联
        PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);
    复制代码

程序可以通过判断引用**队列**中是否已经加入了**虚引用**，来了解被引用的对象是否将要进行**垃圾回收**。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的**内存被回收之前**采取必要的行动。

## 总结 ##

> Java中4种引用的级别和强度由高到低依次为：强引用 -> 软引用 -> 弱引用 -> 虚引用

当**垃圾回收器**回收时，某些对象会被回收，某些不会被回收。垃圾回收器会从**根对象**`Object`来**标记**存活的对象，然后将某些不可达的对象和一些引用的对象进行回收。

通过表格来说明一下，如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>引用类型</th> 
   <th>被垃圾回收时间</th> 
   <th>用途</th> 
   <th>生存时间</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>强引用</td> 
   <td>从来不会</td> 
   <td>对象的一般状态</td> 
   <td>JVM停止运行时终止</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>软引用</td> 
   <td>当内存不足时</td> 
   <td>对象缓存</td> 
   <td>内存不足时终止</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>弱引用</td> 
   <td>正常垃圾回收时</td> 
   <td>对象缓存</td> 
   <td>垃圾回收后终止</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>虚引用</td> 
   <td>正常垃圾回收时</td> 
   <td>跟踪对象的垃圾回收</td> 
   <td>垃圾回收后终止</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/24b87f0647f997a00f3524c739e3ece5.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/31e94ac62f1ae4a332455af758530b06.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/167f84c6288ac341147649720e759f3a.webp?x-oss-process=image/format,png