前言

Java中一共有4種引用類型(其實還有一些其他的引用類型比如FinalReference)：強引用、軟引用、弱引用、虛引用。其中強引用就是我們經常使用的Object a = new Object(); 這樣的形式，在Java中並沒有對應的Reference類。

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現，這三種引用類型都是繼承於Reference這個類，主要邏輯也在Reference中。

問題

在分析前，先拋幾個問題？

1.網上大多數文章對於軟引用的介紹是：在內存不足的時候才會被回收，那內存不足是怎麼定義的？什麼才叫內存不足？

2.網上大多數文章對於虛引用的介紹是：形同虛設，虛引用並不會決定對象的生命週期。主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？（文末有答案）

Reference

我們先看下Reference.java中的幾個字段

public abstract class Reference {
 //引用的對象
 private T referent; 
	//回收隊列，由使用者在Reference的構造函數中指定
 volatile ReferenceQueue super T> queue;
 	//當該引用被加入到queue中的時候，該字段被設置為queue中的下一個元素，以形成鏈表結構
 volatile Reference next;
 //在GC時，JVM底層會維護一個叫DiscoveredList的鏈表，存放的是Reference對象，discovered字段指向的就是鏈表中的下一個元素，由JVM設置
 transient private Reference discovered; 
	//進行線程同步的鎖對象
 static private class Lock { }
 private static Lock lock = new Lock();
	//等待加入queue的Reference對象，在GC時由JVM設置，會有一個java層的線程(ReferenceHandler)源源不斷的從pending中提取元素加入到queue
 private static Reference<object> pending = null;
}
/<object>

一個Reference對象的生命週期如下：

主要分為Native層和Java層兩個部分。

Native層在GC時將需要被回收的Reference對象加入到DiscoveredList中（代碼在referenceProcessor.cpp中process_discovered_references方法），然後將DiscoveredList的元素移動到PendingList中（代碼在referenceProcessor.cpp中enqueue_discovered_ref_helper方法）,PendingList的隊首就是Reference類中的pending對象。

看看Java層的代碼

private static class ReferenceHandler extends Thread {
 	...
 public void run() {
 while (true) {
 tryHandlePending(true);
 }
 }
 } 
static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
 Reference<object> r;
 Cleaner c;
 try {
 synchronized (lock) {
 if (pending != null) {
 r = pending;
 	//如果是Cleaner對象，則記錄下來，下面做特殊處理
 c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
 //指向PendingList的下一個對象
 pending = r.discovered;
 r.discovered = null;
 } else {
 //如果pending為null就先等待，當有對象加入到PendingList中時，jvm會執行notify 

 if (waitForNotify) {
 lock.wait();
 }
 // retry if waited
 return waitForNotify;
 }
 }
 } 
 ...
 // 如果時CLeaner對象，則調用clean方法進行資源回收
 if (c != null) {
 c.clean();
 return true;
 }
		//將Reference加入到ReferenceQueue，開發者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到對象被回收的事件。
 ReferenceQueue super Object> q = r.queue;
 if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
 return true;
 }
/<object>

流程比較簡單：就是源源不斷的從PendingList中提取出元素，然後將其加入到ReferenceQueue中去，開發者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到對象被回收的事件。

另外需要注意的是，對於Cleaner類型（繼承自虛引用）的對象會有額外的處理：在其指向的對象被回收時，會調用clean方法，該方法主要是用來做對應的資源回收，在堆外內存DirectByteBuffer中就是用Cleaner進行堆外內存的回收，這也是虛引用在java中的典型應用。

看完了Reference的實現，再看看幾個實現類裡，各自有什麼不同。

SoftReference

public class SoftReference extends Reference {
 
 static private long clock;
 
 private long timestamp;
 
 public SoftReference(T referent) {
 super(referent);
 this.timestamp = clock;
 }
 
 public SoftReference(T referent, ReferenceQueue super T> q) {
 super(referent, q);
 this.timestamp = clock;
 }
 public T get() {
 T o = super.get();
 if (o != null && this.timestamp != clock)
 this.timestamp = clock;
 return o;
 }
}

軟引用的實現很簡單，就多了兩個字段：clock和timestamp。clock是個靜態變量，每次GC時都會將該字段設置成當前時間。timestamp字段則會在每次調用get方法時將其賦值為clock（如果不相等且對象沒被回收）。

那這兩個字段的作用是什麼呢？這和軟引用在內存不夠的時候才被回收，又有什麼關係呢？

這些還得看JVM的源碼才行，因為決定對象是否需要被回收都是在GC中實現的。

size_t
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
 DiscoveredList refs_lists[],
 ReferencePolicy* policy,
 bool clear_referent,
 BoolObjectClosure* is_alive,
 OopClosure* keep_alive,
 VoidClosure* complete_gc,
 AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
{
 ...
 //還記得上文提到過的DiscoveredList嗎?refs_lists就是DiscoveredList。
 //對於DiscoveredList的處理分為幾個階段，SoftReference的處理就在第一階段
 ...
 for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
 process_phase1(refs_lists[i], policy,
 is_alive, keep_alive, complete_gc);
 }
 ...
}
//該階段的主要目的就是當內存足夠時，將對應的SoftReference從refs_list中移除。
void
ReferenceProcessor::process_phase1(DiscoveredList& refs_list,
 ReferencePolicy* policy,
 BoolObjectClosure* is_alive,
 OopClosure* keep_alive,
 VoidClosure* complete_gc) {
 
 DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
 // Decide which softly reachable refs should be kept alive.
 while (iter.has_next()) {
 iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(!discovery_is_atomic() /* allow_null_referent */));
 //判斷引用的對象是否存活
 bool referent_is_dead = (iter.referent() != NULL) && !iter.is_referent_alive();
 //如果引用的對象已經不存活了，則會去調用對應的ReferencePolicy判斷該對象是不時要被回收
 if (referent_is_dead &&
 !policy->should_clear_reference(iter.obj(), _soft_ref_timestamp_clock)) {
 if (TraceReferenceGC) { 

 gclog_or_tty->print_cr("Dropping reference (" INTPTR_FORMAT ": %s" ") by policy",
 (void *)iter.obj(), iter.obj()->klass()->internal_name());
 }
 // Remove Reference object from list
 iter.remove();
 // Make the Reference object active again
 iter.make_active();
 // keep the referent around
 iter.make_referent_alive();
 iter.move_to_next();
 } else {
 iter.next();
 }
 }
 ...
}

refs_lists中存放了本次GC發現的某種引用類型（虛引用、軟引用、弱引用等），而process_discovered_reflist方法的作用就是將不需要被回收的對象從refs_lists移除掉，refs_lists最後剩下的元素全是需要被回收的元素，最後會將其第一個元素賦值給上文提到過的Reference.java#pending字段。

ReferencePolicy一共有4種實現：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。其中NeverClearPolicy永遠返回false，代表永遠不回收SoftReference，在JVM中該類沒有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以設置policy為AlwaysClearPolicy，至於什麼時候會用到AlwaysClearPolicy，大家有興趣可以自行研究。

LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy的should_clear_reference方法則是完全相同：

bool LRUMaxHeapPolicy::should_clear_reference(oop p,
 jlong timestamp_clock) {
 jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p);
 assert(interval >= 0, "Sanity check");
 // The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc.
 if(interval <= _max_interval) {
 return false;
 }
 return true; 

}

timestamp_clock就是SoftReference的靜態字段clock，java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)對應是字段timestamp。如果上次GC後有調用SoftReference#get，interval值為0，否則為若干次GC之間的時間差。

_max_interval則代表了一個臨界值，它的值在LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy兩種策略中有差異。

void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
 _max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
 assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}
void LRUMaxHeapPolicy::setup() {
 size_t max_heap = MaxHeapSize;
 max_heap -= Universe::get_heap_used_at_last_gc();
 max_heap /= M;
 _max_interval = max_heap * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
 assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}

其中SoftRefLRUPolicyMSPerMB默認為1000，前者的計算方法和上次GC後可用堆大小有關，後者計算方法和（堆大小-上次gc時堆使用大小）有關。

看到這裡你就知道SoftReference到底什麼時候被被回收了，它和使用的策略（默認應該是LRUCurrentHeapPolicy），堆可用大小，該SoftReference上一次調用get方法的時間都有關係。

WeakReference

public class WeakReference extends Reference {
 public WeakReference(T referent) {
 super(referent);
 } 

 public WeakReference(T referent, ReferenceQueue super T> q) {
 super(referent, q);
 }
}

可以看到WeakReference在Java層只是繼承了Reference，沒有做任何的改動。那referent字段是什麼時候被置為null的呢？要搞清楚這個問題我們再看下上文提到過的process_discovered_reflist方法：

size_t
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
 DiscoveredList refs_lists[],
 ReferencePolicy* policy,
 bool clear_referent,
 BoolObjectClosure* is_alive,
 OopClosure* keep_alive,
 VoidClosure* complete_gc,
 AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
{
 ...
 //Phase 1:將所有不存活但是還不能被回收的軟引用從refs_lists中移除（只有refs_lists為軟引用的時候，這裡policy才不為null）
 if (policy != NULL) {
 if (mt_processing) {
 RefProcPhase1Task phase1(*this, refs_lists, policy, true /*marks_oops_alive*/);
 task_executor->execute(phase1);
 } else {
 for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
 process_phase1(refs_lists[i], policy,
 is_alive, keep_alive, complete_gc);
 }
 }
 } else { // policy == NULL
 assert(refs_lists != _discoveredSoftRefs,
 "Policy must be specified for soft references.");
 }
 // Phase 2:
 // 移除所有指向對象還存活的引用
 if (mt_processing) { 

 RefProcPhase2Task phase2(*this, refs_lists, !discovery_is_atomic() /*marks_oops_alive*/);
 task_executor->execute(phase2);
 } else {
 for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
 process_phase2(refs_lists[i], is_alive, keep_alive, complete_gc);
 }
 }
 // Phase 3:
 // 根據clear_referent的值決定是否將不存活對象回收
 if (mt_processing) {
 RefProcPhase3Task phase3(*this, refs_lists, clear_referent, true /*marks_oops_alive*/);
 task_executor->execute(phase3);
 } else {
 for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
 process_phase3(refs_lists[i], clear_referent,
 is_alive, keep_alive, complete_gc);
 }
 }
 return total_list_count;
}
void
ReferenceProcessor::process_phase3(DiscoveredList& refs_list,
 bool clear_referent,
 BoolObjectClosure* is_alive,
 OopClosure* keep_alive,
 VoidClosure* complete_gc) {
 ResourceMark rm;
 DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
 while (iter.has_next()) {
 iter.update_discovered();
 iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(false /* allow_null_referent */));
 if (clear_referent) {
 // NULL out referent pointer
 //將Reference的referent字段置為null，之後會被GC回收
 iter.clear_referent();
 } else {
 // keep the referent around
 //標記引用的對象為存活，該對象在這次GC將不會被回收
 iter.make_referent_alive();
 }
	...
 }
 ...
}
 

不管是弱引用還是其他引用類型，將字段referent置null的操作都發生在process_phase3中，而具體行為是由clear_referent的值決定的。而clear_referent的值則和引用類型相關。

ReferenceProcessorStats ReferenceProcessor::process_discovered_references(
 BoolObjectClosure* is_alive,
 OopClosure* keep_alive,
 VoidClosure* complete_gc,
 AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor,
 GCTimer* gc_timer) {
 NOT_PRODUCT(verify_ok_to_handle_reflists());
	...
 //process_discovered_reflist方法的第3個字段就是clear_referent
 // Soft references
 size_t soft_count = 0;
 {
 GCTraceTime tt("SoftReference", trace_time, false, gc_timer);
 soft_count =
 process_discovered_reflist(_discoveredSoftRefs, _current_soft_ref_policy, true,
 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
 }
 update_soft_ref_master_clock();
 // Weak references
 size_t weak_count = 0;
 {
 GCTraceTime tt("WeakReference", trace_time, false, gc_timer);
 weak_count =
 process_discovered_reflist(_discoveredWeakRefs, NULL, true,
 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
 }
 // Final references
 size_t final_count = 0;
 {
 GCTraceTime tt("FinalReference", trace_time, false, gc_timer);
 final_count =
 process_discovered_reflist(_discoveredFinalRefs, NULL, false,
 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
 }
 // Phantom references
 size_t phantom_count = 0;
 {
 GCTraceTime tt("PhantomReference", trace_time, false, gc_timer);
 phantom_count =
 process_discovered_reflist(_discoveredPhantomRefs, NULL, false,
 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor); 

 }
	...
}

可以看到，對於Soft references和Weak references clear_referent字段傳入的都是true，這也符合我們的預期：對象不可達後，引用字段就會被置為null，然後對象就會被回收（對於軟引用來說，如果內存足夠的話，在Phase 1，相關的引用就會從refs_list中被移除，到Phase 3時refs_list為空集合）。

但對於Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的是false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對象，如果沒有其他額外處理，只要Reference對象還存活，那引用的對象是不會被回收的。Final references和對象是否重寫了finalize方法有關，不在本文分析範圍之內，我們接下來看看Phantom references。

PhantomReference

public class PhantomReference extends Reference {
 
 public T get() {
 return null;
 }
 
 public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue super T> q) {
 super(referent, q);
 }
}

可以看到虛引用的get方法永遠返回null，我們看個demo。

 public static void demo() throws InterruptedException {
 Object obj = new Object();
 ReferenceQueue<object> refQueue =new ReferenceQueue<>();
 PhantomReference<object> phanRef =new PhantomReference<>(obj, refQueue);
 Object objg = phanRef.get();
 //這裡拿到的是null
 System.out.println(objg);
 //讓obj變成垃圾
 obj=null;
 System.gc();
 Thread.sleep(3000);
		//gc後會將phanRef加入到refQueue中
 Reference extends Object> phanRefP = refQueue.remove();
 	//這裡輸出true
 System.out.println(phanRefP==phanRef);
 }
/<object>/<object>

從以上代碼中可以看到，虛引用能夠在指向對象不可達時得到一個'通知'（其實所有繼承References的類都有這個功能），需要注意的是GC完成後，phanRef.referent依然指向之前創建Object，也就是說Object對象一直沒被回收！

而造成這一現象的原因在上一小節末尾已經說了：對於Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的時false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對象，如果沒有其他額外處理，在GC中是不會被回收的。

對於虛引用來說，從refQueue.remove();得到引用對象後，可以調用clear方法強行解除引用和對象之間的關係，使得對象下次可以GC時可以被回收掉。

最後

針對文章開頭提出的幾個問題，看完分析，我們已經能給出回答：

1.我們經常在網上看到軟引用的介紹是：在內存不足的時候才會回收，那內存不足是怎麼定義的？為什麼才叫內存不足？

軟引用會在內存不足時被回收，內存不足的定義和該引用對象get的時間以及當前堆可用內存大小都有關係，計算公式在上文中也已經給出。

2.網上對於虛引用的介紹是：形同虛設，與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定對象的生命週期。主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

嚴格的說，虛引用是會影響對象生命週期的，如果不做任何處理，只要虛引用不被回收，那其引用的對象永遠不會被回收。所以一般來說，從ReferenceQueue中獲得PhantomReference對象後，如果PhantomReference對象不會被回收的話（比如被其他GC ROOT可達的對象引用），需要調用clear方法解除PhantomReference和其引用對象的引用關係。

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？

DirectByteBuffer中是用虛引用的子類Cleaner.java來實現堆外內存回收的，後續會寫篇文章來說說堆外內存的裡裡外外。

小編之後會持續更新技術文，希望能夠幫助到大家。如果大家覺得寫的還不錯的話就點點關注，幫忙轉發下吧！謝謝啦~

閱讀更多 JAVA架構進階 的文章

關鍵字: 鏈表 引用 程序員