全面解析Java中的GC与幽灵引用

Java 中一共有 4 种类型的引用 : StrongReference、 SoftReference、 WeakReference 以及 PhantomReference (传说中的幽灵引用 呵呵),
这 4 种类型的引用与 GC 有着密切的关系,  让我们逐一来看它们的定义和使用场景 :

1、 Strong Reference
StrongReference 是 Java 的默认引用实现,  它会尽可能长时间的存活于 JVM 内， 当没有任何对象指向它时 GC 执行后将会被回收

Java代码


代码如下:

@Test 
public void strongReference() { 
    Object referent = new Object();

/**
     * 通过赋值创建 StrongReference 
     */ 
    Object strongReference = referent;

assertSame(referent, strongReference);

referent = null; 
    System.gc();

/**
     * StrongReference 在 GC 后不会被回收
     */ 
    assertNotNull(strongReference); 
}

2、 WeakReference & WeakHashMap
WeakReference， 顾名思义,  是一个弱引用,  当所引用的对象在 JVM 内不再有强引用时, GC 后 weak reference 将会被自动回收


代码如下:

@Test 
public void weakReference() { 
    Object referent = new Object(); 
    WeakReference<Object> weakRerference = new WeakReference<Object>(referent);

assertSame(referent, weakRerference.get());

referent = null; 
    System.gc();

/**
     * 一旦没有指向 referent 的强引用, weak reference 在 GC 后会被自动回收
     */ 
    assertNull(weakRerference.get()); 
}

WeakHashMap 使用 WeakReference 作为 key， 一旦没有指向 key 的强引用, WeakHashMap 在 GC 后将自动删除相关的 entry


代码如下:

@Test 
public void weakHashMap() throws InterruptedException { 
    Map<Object, Object> weakHashMap = new WeakHashMap<Object, Object>(); 
    Object key = new Object(); 
    Object value = new Object(); 
    weakHashMap.put(key, value);

assertTrue(weakHashMap.containsValue(value));

key = null; 
    System.gc();

/**
     * 等待无效 entries 进入 ReferenceQueue 以便下一次调用 getTable 时被清理
     */ 
    Thread.sleep(1000);

/**
     * 一旦没有指向 key 的强引用, WeakHashMap 在 GC 后将自动删除相关的 entry
     */ 
    assertFalse(weakHashMap.containsValue(value)); 
}

3、SoftReference
SoftReference 于 WeakReference 的特性基本一致， 最大的区别在于 SoftReference 会尽可能长的保留引用直到 JVM 内存不足时才会被回收(虚拟机保证), 这一特性使得 SoftReference 非常适合缓存应用


代码如下:

@Test 
public void softReference() { 
    Object referent = new Object(); 
    SoftReference<Object> softRerference = new SoftReference<Object>(referent);

assertNotNull(softRerference.get());

referent = null; 
    System.gc();

/**
     *  soft references 只有在 jvm OutOfMemory 之前才会被回收, 所以它非常适合缓存应用
     */ 
    assertNotNull(softRerference.get()); 
}

4、 PhantomReference
作为本文主角， Phantom Reference(幽灵引用) 与 WeakReference 和 SoftReference 有很大的不同,  因为它的 get() 方法永远返回 null, 这也正是它名字的由来

Java代码


代码如下:

@Test 
public void phantomReferenceAlwaysNull() { 
    Object referent = new Object(); 
    PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<Object>(referent, new ReferenceQueue<Object>());

/**
     * phantom reference 的 get 方法永远返回 null 
     */ 
    assertNull(phantomReference.get()); 
}

诸位可能要问, 一个永远返回 null 的 reference 要来何用,  请注意构造 PhantomReference 时的第二个参数 ReferenceQueue(事实上 WeakReference & SoftReference 也可以有这个参数)，
PhantomReference 唯一的用处就是跟踪 referent  何时被 enqueue 到 ReferenceQueue 中.

5、 RererenceQueue
当一个 WeakReference 开始返回 null 时， 它所指向的对象已经准备被回收， 这时可以做一些合适的清理工作.   将一个 ReferenceQueue 传给一个 Reference 的构造函数， 当对象被回收时， 虚拟机会自动将这个对象插入到 ReferenceQueue 中， WeakHashMap 就是利用 ReferenceQueue 来清除 key 已经没有强引用的 entries.

Java代码


代码如下:

@Test 
public void referenceQueue() throws InterruptedException { 
    Object referent = new Object();      
    ReferenceQueue<Object> referenceQueue = new ReferenceQueue<Object>(); 
    WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<Object>(referent, referenceQueue);

assertFalse(weakReference.isEnqueued()); 
    Reference<? extends Object> polled = referenceQueue.poll(); 
    assertNull(polled);

referent = null; 
    System.gc();

assertTrue(weakReference.isEnqueued()); 
    Reference<? extends Object> removed = referenceQueue.remove(); 
    assertNotNull(removed); 
}

6、PhantomReference  vs WeakReference
PhantomReference  有两个好处， 其一， 它可以让我们准确地知道对象何时被从内存中删除， 这个特性可以被用于一些特殊的需求中(例如 Distributed GC，  XWork 和 google-guice 中也使用 PhantomReference 做了一些清理性工作).

其二， 它可以避免 finalization 带来的一些根本性问题, 上文提到 PhantomReference 的唯一作用就是跟踪 referent 何时被 enqueue 到 ReferenceQueue 中,  但是 WeakReference 也有对应的功能, 两者的区别到底在哪呢 ？

这就要说到 Object 的 finalize 方法, 此方法将在 gc 执行前被调用, 如果某个对象重载了 finalize 方法并故意在方法内创建本身的强引用,  这将导致这一轮的 GC 无法回收这个对象并有可能引起任意次 GC， 最后的结果就是明明 JVM 内有很多 Garbage 却 OutOfMemory， 使用 PhantomReference 就可以避免这个问题， 因为 PhantomReference 是在 finalize 方法执行后回收的，也就意味着此时已经不可能拿到原来的引用， 也就不会出现上述问题,  当然这是一个很极端的例子, 一般不会出现.

7、 对比

8. 小结
一般的应用程序不会涉及到 Reference 编程， 但是了解这些知识会对理解 GC 的工作原理以及性能调优有一定帮助，在实现一些基础性设施比如缓存时也可能会用到， 希望本文能有所帮助。