Java进阶—Java中的四种引用类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用

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在Java中是由JVM负责内存的分配和回收，这是它的优点（简化编程者的工作，不需要像C语言那样去手动操作内存），但同时也是它的缺点（不够灵活，垃圾回收对于编程者来说是不可控的）。

在JDK1.2以前，如果一个对象不被任何变量引用，则程序无法再次使用这个对象，这个对象最终会被GC（GabageCollection：垃圾回收）。但是如果之后可能还会用到这个对象，就只能去新建一个了，这其实就降低了JVM性能，没有达到最大的优化策略。

因此，从JDK1.2开始，提供了四种类型的引用：强引用（StrongReference）、软引用（SoftReference）、弱引用（WeakReference）和虚引用（PhantomReference）。主要有两个目的：

  1. 可以在代码中决定某些对象的生命周期；
  2. 优化JVM的垃圾回收机制。

关于GC

什么是GC？
GC通常运行在一个独立的、优先级比较低的线程中，实时监测并释放“无效”的内存。

什么是“无效”的内存单元？
一般GC采用引用计数法来判断一个内存单元（一个变量）是否是无效的内存。(注意：JAVA中并不是用的引用计数法，而是使用可达性分析)
引用计数法（引用计数法只是GC中一种常用的方法，还会用到年代方法等）是指一个变量或一块内存当前被引用的次数，如果引用次数为0，则表示这个变量或这块内存未被引用，因此GC“有可能”去释放它 ，为什么说有可能？首先GC运行在一个独立的、优先级比较低的线程中，其次GC回收的具体工作也是比较复杂的，比如说需要释放大量内存的时候，而CPU资源又相对紧张，GC可能会选择性地释放一些内存资源，具体回收方法取决于GC内部的算法。

四种引用类型

强引用

强引用是最普遍的引用，如果一个对象具有强引用，垃圾回收器不会回收该对象，当内存空间不足时，JVM 宁愿抛出 OutOfMemoryError异常；只有当这个对象没有被引用时，才有可能会被回收。

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package com.lzumetal.jvmtest;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StrongReferenceTest {

    static class BigObject {
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];
    }


    public static void main(String[] args) {
        List<BigObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            BigObject obj = new BigObject();
            list.add(obj);
        }
    }
}

BigObject obj = new BigObject()创建的这个对象时就是强引用，上面的main方法最终将抛出OOM异常：

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Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest$BigObject.<init>(StrongReferenceTest.java:9)
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest.main(StrongReferenceTest.java:16)

软引用

如果一个对象只具有软引用，则

  • 当内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它。
  • 当内存空间不足了，就会回收该对象。
    JVM会优先回收长时间闲置不用的软引用的对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软引用对象会尽可能保留。
  • 如果回收完还没有足够的内存，会抛出内存溢出异常。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，适合用来实现缓存(比如浏览器的‘后退’按钮使用的缓存)，内存空间充足的时候将数据缓存在内存中，如果空间不足了就将其回收掉。

软引用在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示。为了方便测试，在下面这个示例中我设置了JVM的内存为8M，在IDEA的Run——>EditConfigiratons中设置参数：-Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails

代码：

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package com.lzumetal.jvmtest;

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftReferenceTest {

    static class Person {

        private String name;
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("张三");
        SoftReference<Person> softReference = new SoftReference<>(person);
        
        person = null;  //去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了     

        System.gc();
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());
    }
}

运行main方法，控制台输出：

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[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->748K(7680K), 0.0118019 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1005K->496K(2048K)] 5346K->4868K(7680K), 0.0025626 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 496K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4372K->4773K(5632K)] 4868K->4773K(7680K), [Metaspace: 3466K->3466K(1056768K)], 0.0083134 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->com.lzumetal.jvmtest.SoftReferenceTest$Person@6d6f6e28
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4773K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca9498,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3474K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

虽然调用System.gc()后JVM并不一定会立刻进行GC操作，但从上面这段输出可以看到JVM确实进行了GC，但是软引用的对象并没有被回收掉，说明现在内存空间还足够，JVM暂时还不会回收软引用的对象。

把main方法改成如下：

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Person person = new Person("张三");
    SoftReference<Person> softReference = new SoftReference<>(person);

    person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

    Person anotherPerson = new Person("李四");
    Thread.sleep(1000);

    System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());
}

因为这里JVM内存只有8M，没有足够的空间同时保留两个Person对象（我已经测试过了：new两个强引用的Person对象就会报OOM），所以当我再new Person("李四")时，也是会触发JVM的GC的，同时因为前面的new Person("张三")只有软引用了，它会被回收掉。

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[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->664K(7680K), 0.0009884 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1006K->504K(2048K)] 5262K->4848K(7680K), 0.0077414 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4848K->4872K(7680K), 0.0017661 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4368K->4773K(5632K)] 4872K->4773K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0201011 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.02 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4773K->4773K(7680K), 0.0039905 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4773K->659K(5632K)] 4773K->659K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0103549 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->null
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4c80,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3473K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

ReferenceQueue

SoftReference对象是用来保存软引用，但它同时也是一个Java对象。所以，当软引用对象被回收之后，虽然这个SoftReference对象的get()方法返回null，但SoftReference对象本身并不是null，而此时这个SoftReference对象已经不再具有存在的价值，需要一个适当的清除机制，避免大量SoftReference对象带来的内存浪费。

在java.lang.ref包里还提供了ReferenceQueue。如果在创建SoftReference对象的时候，使用了一个ReferenceQueue对象作为参数提供给SoftReference的构造方法，如:

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Person person = new Person("张三");
ReferenceQueue<Person> queue = new ReferenceQueue<>();
SoftReference<Person> softReference = new SoftReference<Person>(person, queue);

在SoftReference所软引用的Person对象被垃圾回收时，JVM会先将softReference对象添加到ReferenceQueue这个队列中。当我们调用ReferenceQueue的poll()方法，如果这个队列中不是空队列，那么将返回并移除前面添加的那个Reference对象。
还是上面的那个例子，测试代码：

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Person person = new Person("张三");
    ReferenceQueue<Person> queue = new ReferenceQueue<>();
    SoftReference<Person> softReference = new SoftReference<Person>(person, queue);

    person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

    Person anotherPerson = new Person("李四");
    Thread.sleep(1000);

    System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());

    Reference softPollRef = queue.poll();
    if (softPollRef != null) {
        System.err.println("SoftReference对象中保存的软引用对象已经被GC，准备清理SoftReference对象");
        //清理softReference
    }
}

控制台输出：

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[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->728K(7680K), 0.0022378 secs] [Times: user=0.03 sys=0.05, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1036K->504K(2048K)] 5356K->4840K(7680K), 0.0027540 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4840K->4840K(7680K), 0.0048557 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4336K->4774K(5632K)] 4840K->4774K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0087802 secs] [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4774K->4774K(7680K), 0.0005462 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4774K->659K(5632K)] 4774K->659K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0104794 secs] [Times: user=0.05 sys=0.02, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->null
SoftReference对象中保存的软引用对象已经被GC，准备清理SoftReference对象
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4d70,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3476K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

弱引用

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，它只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾回收器扫描到只具有弱引用的对象时，无论当前内存空间是否足够，都会回收它。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。

弱引用也可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用。

使用场景：一个对象只是偶尔使用，希望在使用时能随时获取，但也不想影响对该对象的垃圾收集，则可以考虑使用弱引用来指向该对象。

参考上面的代码示例，测试弱引用：

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Person person = new Person("张三");
    ReferenceQueue<Person> queue = new ReferenceQueue<>();
    WeakReference<Person> weakReference = new WeakReference<Person>(person, queue);

    person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

    System.gc();
    Thread.sleep(1000);
    System.err.println("弱引用的对象 ------->" + weakReference.get());

    Reference weakPollRef = queue.poll();   //poll()方法是有延迟的
    if (weakPollRef != null) {
        System.err.println("WeakReference对象中保存的弱引用对象已经被GC，下一步需要清理该Reference对象");
        //清理softReference
    } else {
        System.err.println("WeakReference对象中保存的软引用对象还没有被GC，或者被GC了但是获得对列中的引用对象出现延迟");
    }
}

虚引用

与其他三种引用都不同，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。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。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。

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Object object = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);

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被垃圾回收。程序如果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。

在实际程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

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