引用和引用指向的對(duì)象

A reference object(引用，我感覺(jué)這個(gè)不如直接寫(xiě)成 reference 更容易理解)is a layer of indirection between your program code and some other object, called a referent(引用指向的對(duì)象). Each reference object is constructed around its referent, and the referent cannot be changed.

翻譯起來(lái)比較簡(jiǎn)單，引用(reference object)是一個(gè)間接層，我們的代碼通過(guò)引用訪問(wèn)引用指向的對(duì)象(referent)。

relationships between application code, soft/weak reference, and referent

所有的引用類(lèi)型，都是抽象類(lèi) java.lang.ref.Reference 的子類(lèi)：

這個(gè)抽象類(lèi)提供了 get 方法用來(lái)獲取引用指向的對(duì)象(referent)：

舉個(gè)例子：

SoftReference<List<Foo>> ref = new SoftReference<List<Foo>>(new LinkedList<Foo>());

// somewhere else in your code, you create a Foo that you want to add to the list
List<Foo> list = ref.get();
if (list != null) {
    list.add(foo);
} else {
    // list is gone; do whatever is appropriate
}

四種引用的定義

我想大部分人都可以很輕松的說(shuō)出引用的定義：如果棧中的變量存儲(chǔ)的數(shù)值代表的是另外一塊內(nèi)存的起始地址，就稱該變量代表了這塊內(nèi)存 or 這個(gè)對(duì)象的引用。

在 JDK 1.2 之前，沒(méi)有問(wèn)題，這個(gè)定義很正確。

不過(guò)現(xiàn)在來(lái)看有些過(guò)于狹隘了。

舉個(gè)例子，我們希望引用能夠描述這樣一類(lèi)對(duì)象：當(dāng)內(nèi)存空間還足夠時(shí)，就保留在內(nèi)存之中，如果垃圾收集后內(nèi)存空間比較緊張，那就拋棄這些對(duì)象釋放空間。

對(duì)于上述的定義來(lái)說(shuō)，一個(gè)對(duì)象只有 “被引用” 和 “未被引用” 兩種狀態(tài)，對(duì)這種情況顯然是無(wú)能無(wú)力的。

所以，JDK 1.2 之后，Java 對(duì)引用的概念進(jìn)行了擴(kuò)充，將引用分為以下四種，這 4 種引用的強(qiáng)度依次逐漸減弱，所謂 “強(qiáng)度”，可以這樣簡(jiǎn)單理解，引用的強(qiáng)度越強(qiáng)，那么這個(gè)被引用的對(duì)象就越不容易被垃圾回收器回收掉：

1)強(qiáng)引用，Strongly Re-ference

強(qiáng)引用隨處可見(jiàn)，就是最傳統(tǒng)的 “引用” 的定義，通過(guò) new 進(jìn)行的引用賦值，即類(lèi)似User user = new User() 這種引用關(guān)系。

只要還有強(qiáng)引用指向一個(gè)對(duì)象，就能表明對(duì)象還 “活著”，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會(huì)碰這種對(duì)象。

換句話說(shuō)，當(dāng)內(nèi)存空間不足的時(shí)候，JVM 寧可拋出 OOM，使程序異常終止，也不會(huì)回收具有強(qiáng)引用的對(duì)象。

2)軟引用，Soft Reference

軟引用就對(duì)應(yīng)我們上面舉的那個(gè)例子，可以讓對(duì)象豁免一些垃圾收集，用來(lái)描述一些還有用、但非必須的對(duì)象。

如果內(nèi)存空間足夠，那么軟引用就不會(huì)被回收掉，但是如果快要發(fā)生 OOM 了，那么 JVM 就會(huì)對(duì)這些軟引用進(jìn)行回收釋放空間，如果對(duì)這些軟引用回收完了之后還是沒(méi)有足夠的內(nèi)存，才會(huì)拋出 OOM。

在 JDK 1.2 之后提供了 SoftReference 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟引用。

3)弱引用，Weak Reference

弱引用也是用來(lái)描述那些非必須對(duì)象，但是它的強(qiáng)度比軟引用更弱一些。

如果你創(chuàng)建了一個(gè)僅持有弱引用的對(duì)象，那么下一次垃圾收集發(fā)生的時(shí)候，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，這個(gè)對(duì)象都會(huì)被回收掉。

換句話說(shuō)，被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生為止。

在 JDK 1.2 之后提供了 WeakReference 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)弱引用。

4)虛引用，Phantom Reference

虛引用也稱為 幽靈引用、幻影引用、幻象引用，它是最弱的一種引用關(guān)系。

如果一個(gè)對(duì)象僅持有幻像引用，那么它就和沒(méi)有任何引用一樣，對(duì)其生存時(shí)間沒(méi)有任何影響，我們也無(wú)法通過(guò)幻像引用來(lái)取得一個(gè)對(duì)象實(shí)例(看下圖，它的 get 方法永遠(yuǎn)返回 null)。

虛引用的 get 方法

滑稽了，那幻像引用有啥用?

事實(shí)上，我們可以通過(guò)為一個(gè)對(duì)象設(shè)置幻像引用關(guān)聯(lián)從而跟蹤這個(gè)對(duì)象被垃圾回收的活動(dòng)(詳細(xì)見(jiàn)下文解釋)。

在 JDK 1.2 之后提供了 PhantomReference 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)幻像引用。

對(duì)象的生命周期

在 JDK1.2 之前，一個(gè)對(duì)象的生命周期(object life cycle)可以簡(jiǎn)單的用下圖表示：

object life-cycle, without reference objects

而在 JDK1.2 中，引入了 java.lang.ref 包，一個(gè)對(duì)象的生命周期中新增了三個(gè)狀態(tài)(stage)：

可以看到，除了強(qiáng)引用對(duì)應(yīng)的強(qiáng)可達(dá)狀態(tài)(strongly reachable)之外，額外添加了個(gè)三個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)軟引用、弱引用和虛引用(幻像引用)：

• softly reachable，軟可達(dá)：就是當(dāng)我們只能通過(guò)軟引用才能訪問(wèn)到對(duì)象的狀態(tài)。
• weakly reachable，弱可達(dá)：就是無(wú)法通過(guò)強(qiáng)引用或者軟引用訪問(wèn)，只能通過(guò)弱引用訪問(wèn)時(shí)的狀態(tài)。
• phantom reachable，幻象可達(dá)：上面流程圖已經(jīng)很直觀了，就是沒(méi)有強(qiáng)、軟、弱引用關(guān)聯(lián)，并且被回收掉了，只有幻像引用指向這個(gè)對(duì)象的時(shí)候。

除了幻像引用(因?yàn)?get 永遠(yuǎn)返回 null)，如果對(duì)象還沒(méi)有被銷(xiāo)毀，都可以通過(guò) get 方法獲取原有對(duì)象。這意味著，利用軟引用和弱引用，我們可以將訪問(wèn)到的對(duì)象，重新指向強(qiáng)引用，也就是人為的改變了對(duì)象的可達(dá)性狀態(tài)!這也是為什么上面圖里有些地方畫(huà)了雙向箭頭。

引用隊(duì)列

引用隊(duì)列 ReferenceQueue 是用來(lái)配合引用工作的，最常與幻像引用一起使用，因?yàn)榛孟褚玫臉?gòu)造函數(shù)必須指定引用隊(duì)列，而其他引用類(lèi)型沒(méi)有引用隊(duì)列一樣可以運(yùn)行。

當(dāng)某個(gè)被引用的對(duì)象(referent)被回收的時(shí)候，JVM 會(huì)將指向它的引用(reference)加入到引用隊(duì)列的隊(duì)列末尾，這相當(dāng)于是一種通知機(jī)制。這個(gè)操作其實(shí)是由 ReferenceHandler 守護(hù)線程來(lái)做的，這個(gè)守護(hù)線程是在 Reference 靜態(tài)代碼塊中建立并且運(yùn)行的線程，所以只要 Reference 這個(gè)父類(lèi)被初始化，該線程就會(huì)創(chuàng)建和運(yùn)行，它的運(yùn)行方法中依賴了比較多的本地 (native) 方法：

由于 ReferenceHandler 是守護(hù)線程，除非 JVM 進(jìn)程終結(jié)，否則它會(huì)一直在后臺(tái)運(yùn)行(注意它的 run() 方法里面使用了死循環(huán))。

實(shí)際上就是調(diào)用了引用隊(duì)列的 enqueue 方法來(lái)執(zhí)行入隊(duì)操作：

這樣，我們可以通過(guò) ReferenceQueue 中的元素(引用)來(lái)知道哪些對(duì)象(被引用的對(duì)象)被回收掉了，通過(guò)這種方式，我們就可以在對(duì)象被回收掉之后，做一些我們自己想做的事情。

這也就是為什么說(shuō)幻像引用存在的唯一作用就是跟蹤對(duì)象被垃圾回收的活動(dòng)。

另外，ReferenceQueue 提供了三種方法來(lái)彈出隊(duì)頭元素：

• poll()：用于移除并返回該隊(duì)列中的下一個(gè)引用對(duì)象，如果隊(duì)列為空，則返回null；
• remove()：用于移除并返回該隊(duì)列中的下一個(gè)引用對(duì)象，該方法會(huì)在隊(duì)列返回可用引用對(duì)象之前一直阻塞；
• remove (long timeout)：用于移除并返回隊(duì)列中的下一個(gè)引用對(duì)象。該方法會(huì)在隊(duì)列返回可用引用對(duì)象之前一直阻塞，或者在超出指定超時(shí)后結(jié)束。如果超出指定超時(shí)，則返回null。如果指定超時(shí)為0，意味著將無(wú)限期地等待。

不同引用類(lèi)型的應(yīng)用場(chǎng)景

軟引用的應(yīng)用：斷路器

斷路器，Circuit Breaker

• A better use of soft references is to provide a "circuit breaker" for memory allocation: put a soft reference between your code and the memory it allocates, and you avoid the dreaded OutOfMemoryError.

舉個(gè)例子，下面這段 JDBC 代碼，邏輯是查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的多行數(shù)據(jù)。

往比較極端的情況想，如果查詢到的數(shù)據(jù)有一百萬(wàn)行，但你的系統(tǒng)的可用內(nèi)存資源已經(jīng)不足以裝得下這一百萬(wàn)行數(shù)據(jù)，此時(shí)程序肯定就拋錯(cuò)誤了。

這個(gè)時(shí)候軟引用的價(jià)值就體現(xiàn)出來(lái)了：如果在查詢數(shù)據(jù)期間 JVM 已經(jīng)耗盡了內(nèi)存，那么被軟引用指向的對(duì)象的內(nèi)存就會(huì)被釋放掉從而給新的數(shù)據(jù)挪出空間，同時(shí)在業(yè)務(wù)線程上我們可以拋出自定義異常以便我們進(jìn)行程序的后續(xù)處理：

弱引用的應(yīng)用：ThreadLocal 的 ThreadLocalMap 實(shí)現(xiàn)

大名鼎鼎，這個(gè)本文就不多說(shuō)了，后續(xù)會(huì)開(kāi)文章詳細(xì)解釋。

虛引用的應(yīng)用：數(shù)據(jù)庫(kù)連接池

數(shù)據(jù)庫(kù)連接池 Connection Pool 應(yīng)該具備的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能夠有效的避免連接資源泄露，同時(shí)能夠?qū)B接資源進(jìn)行回收：

下面這個(gè)類(lèi)可以不用怎么看，不過(guò)有一點(diǎn)值得注意，用戶使用該連接池時(shí)業(yè)務(wù)線程拿到的連接對(duì)象正是這個(gè)PooledConnection 對(duì)象，而不是真正的 Connection 對(duì)象。

重點(diǎn)看下下面這個(gè)類(lèi)的實(shí)現(xiàn)：

如果引用隊(duì)列中能夠拿到引用，說(shuō)明連接對(duì)象被 GC 掉了，此時(shí)我們就應(yīng)該對(duì)連接池執(zhí)行相應(yīng)的清理邏輯(重點(diǎn)注意下面的 releaseConnection 方法)：

看起來(lái)挺復(fù)雜，其實(shí)本質(zhì)上就是圍繞著虛引用的特性：你不能通過(guò)它訪問(wèn)對(duì)象，但是它結(jié)合引用隊(duì)列提供了一種對(duì)象被回收以后做某些事情的機(jī)制。