一文讀懂java中的Reference和引用類型

簡介

java中有值類型也有引用類型，引用類型一般是針對於java中對象來說的，今天介紹一下java中的引用類型。java為引用類型專門定義了一個類叫做Reference。Reference是跟java垃圾回收機制息息相關的類，通過探討Reference的實現可以更加深入的理解java的垃圾回收是怎麼工作的。

本文先從java中的四種引用類型開始，一步一步揭開Reference的面紗。

java中的四種引用類型分別是：強引用，軟引用，弱引用和虛引用。

強引用Strong Reference

java中的引用默認就是強引用，任何一個對象的賦值操作就產生了對這個對象的強引用。

我們看一個例子：

<code>public class StrongReferenceUsage {

    @Test
    public void stringReference(){
        Object obj = new Object();
    }
}
/<code>

上面我們new了一個Object對象，並將其賦值給obj，這個obj就是new Object()的強引用。

強引用的特性是隻要有強引用存在，被引用的對象就不會被垃圾回收。

軟引用Soft Reference

軟引用在java中有個專門的SoftReference類型，軟引用的意思是隻有在內存不足的情況下，被引用的對象才會被回收。

先看下SoftReference的定義：

<code>public class SoftReference extends Reference
/<code>

SoftReference繼承自Reference。它有兩種構造函數：

<code>    public SoftReference(T referent) 
/<code> 

和：

<code>    public SoftReference(T referent, ReferenceQueue super T> q) 
/<code>

第一個參數很好理解，就是軟引用的對象，第二個參數叫做ReferenceQueue，是用來存儲封裝的待回收Reference對象的，ReferenceQueue中的對象是由Reference類中的ReferenceHandler內部類進行處理的。

我們舉個SoftReference的例子：

<code>    @Test
    public void softReference(){
        Object obj = new Object();
        SoftReference soft = new SoftReference<>(obj);
        obj = null;
        log.info("{}",soft.get());
        System.gc();
        log.info("{}",soft.get());
    }
/<code>

輸出結果：

<code>22:50:43.733 [main] INFO com.flydean.SoftReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
22:50:43.749 [main] INFO com.flydean.SoftReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
/<code>

可以看到在內存充足的情況下，SoftReference引用的對象是不會被回收的。

弱引用weak Reference

weakReference和softReference很類似，不同的是weekReference引用的對象只要垃圾回收執行，就會被回收，而不管是否內存不足。

同樣的WeakReference也有兩個構造函數：

<code>public WeakReference(T referent)；

 public WeakReference(T referent, ReferenceQueue super T> q)；
/<code>

含義和SoftReference一致，這裡就不再重複表述了。

我們看下弱引用的例子：

<code>    @Test
    public void weakReference() throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        WeakReference weak = new WeakReference<>(obj);
        obj = null;
        log.info("{}",weak.get());
        System.gc();
        log.info("{}",weak.get());
    }
/<code> 

輸出結果：

<code>22:58:02.019 [main] INFO com.flydean.WeakReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
22:58:02.047 [main] INFO com.flydean.WeakReferenceUsage - null
/<code>

我們看到gc過後，弱引用的對象被回收掉了。

虛引用PhantomReference

PhantomReference的作用是跟蹤垃圾回收器收集對象的活動，在GC的過程中，如果發現有PhantomReference，GC則會將引用放到ReferenceQueue中，由程序員自己處理，當程序員調用ReferenceQueue.pull()方法，將引用出ReferenceQueue移除之後，Reference對象會變成Inactive狀態，意味著被引用的對象可以被回收了。

和SoftReference和WeakReference不同的是，PhantomReference只有一個構造函數，必須傳入ReferenceQueue：

<code>public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue super T> q)
/<code>

看一個PhantomReference的例子：

<code>@Slf4j
public class PhantomReferenceUsage {

    @Test
    public void usePhantomReference(){
        ReferenceQueue rq = new ReferenceQueue<>();
        Object obj = new Object();
        PhantomReference phantomReference = new PhantomReference<>(obj,rq);
        obj = null;
        log.info("{}",phantomReference.get());
        System.gc();
        Reference r = (Reference)rq.poll();
        log.info("{}",r);
    }
}
/<code>

運行結果：

<code>07:06:46.336 [main] INFO com.flydean.PhantomReferenceUsage - null
07:06:46.353 [main] INFO com.flydean.PhantomReferenceUsage - java.lang.ref.PhantomReference@136432db
/<code>

我們看到get的值是null，而GC過後，poll是有值的。

因為PhantomReference引用的是需要被垃圾回收的對象，所以在類的定義中，get一直都是返回null：

<code>    public T get() {
        return null;
    }
/<code> 

Reference和ReferenceQueue

講完上面的四種引用,接下來我們談一下他們的父類Reference和ReferenceQueue的作用。

Reference是一個抽象類，每個Reference都有一個指向的對象，在Reference中有5個非常重要的屬性：referent，next，discovered，pending，queue。

<code>private T referent;         /* Treated specially by GC */
volatile ReferenceQueue super T> queue;
Reference next;
transient private Reference discovered;  /* used by VM */
private static Reference pending = null;
/<code>

每個Reference都可以看成是一個節點，多個Reference通過next，discovered和pending這三個屬性進行關聯。

先用一張圖來對Reference有個整體的概念：

referent就是Reference實際引用的對象。

通過next屬性，可以構建ReferenceQueue。

通過discovered屬性，可以構建Discovered List。

通過pending屬性，可以構建Pending List。

四大狀態

在講這三個Queue/List之前，我們先講一下Reference的四個狀態：

從上面的圖中，我們可以看到一個Reference可以有四個狀態。

因為Reference有兩個構造函數，一個帶ReferenceQueue,一個不帶。

<code>    Reference(T referent) {
        this(referent, null);
    }

    Reference(T referent, ReferenceQueue super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
    }
/<code>

對於帶ReferenceQueue的Reference，GC會把要回收對象的Reference放到ReferenceQueue中，後續該Reference需要程序員自己處理（調用poll方法）。

不帶ReferenceQueue的Reference，由GC自己處理，待回收的對象其Reference狀態會變成Inactive。

創建好了Reference，就進入active狀態。

active狀態下，如果引用對象的可到達狀態發送變化就會轉變成Inactive或Pending狀態。

Inactive狀態很好理解，到達Inactive狀態的Reference狀態不能被改變，會等待GC回收。

Pending狀態代表等待入Queue，Reference內部有個ReferenceHandler，會調用enqueue方法，將Pending對象入到Queue中。

入Queue的對象，其狀態就變成了Enqueued。

Enqueued狀態的對象，如果調用poll方法從ReferenceQueue拿出，則該Reference的狀態就變成了Inactive，等待GC的回收。

這就是Reference的一個完整的生命週期。

三個Queue/List

有了上面四個狀態的概念，我們接下來講三個Queue/List：ReferenceQueue，discovered List和pending List。

ReferenceQueue在講狀態的時候已經講過了，它本質是由Reference中的next連接而成的。用來存儲GC待回收的對象。

pending List就是待入ReferenceQueue的list。

discovered List這個有點特別，在Pending狀態時候，discovered List就等於pending List。

在Active狀態的時候，discovered List實際上維持的是一個引用鏈。通過這個引用鏈，我們可以獲得引用的鏈式結構，當某個Reference狀態不再是Active狀態時，需要將這個Reference從discovered List中刪除。

WeakHashMap

最後講一下WeakHashMap，WeakHashMap跟WeakReference有點類似，在WeakHashMap如果key不再被使用，被賦值為null的時候，該key對應的Entry會自動從WeakHashMap中刪除。

我們舉個例子：

<code>    @Test
    public void useWeakHashMap(){
        WeakHashMap map = new WeakHashMap<>();
        Object key1= new Object();
        Object value1= new Object();
        Object key2= new Object();
        Object value2= new Object();

        map.put(key1, value1);
        map.put(key2, value2);
        log.info("{}",map);

        key1 = null;
        System.gc();
        log.info("{}",map);

    }
/<code>

輸出結果：

<code>[main] INFO com.flydean.WeakHashMapUsage - {java.lang.Object@14899482=java.lang.Object@2437c6dc, java.lang.Object@11028347=java.lang.Object@1f89ab83}
[main] INFO com.flydean.WeakHashMapUsage - {java.lang.Object@14899482=java.lang.Object@2437c6dc}
/<code>

可以看到gc過後，WeakHashMap只有一個Entry了。

總結

本文講解了4個java中的引用類型，並深入探討了Reference的內部機制，感興趣的小夥伴可以留言一起討論。

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