[转] 分析Java对象的强、软、弱和虚引用

在JDK1.2以前的版本中，当一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于可触及状态，程序才能使用它。这 就像在日常生活中，从商店购买了某样物品后，如果有用，就一直保留它，否则就把它扔到垃圾箱，由清洁工人收走。一般说来，如果物品已经被扔到垃圾箱，想再 把它捡回来使用就不可能了。

    但有时候情况并不这么简单，你可能会遇到类似鸡肋一样的物品，食之无味，弃之可惜。这种物品现在已经无用了，保留它会占空间，但是立刻扔掉它也不划算，因 为也许将来还会派用场。对于这样的可有可无的物品，一种折衷的处理办法是：如果家里空间足够，就先把它保留在家里，如果家里空间不够，即使把家里所有的垃 圾清除，还是无法容纳那些必不可少的生活用品，那么再扔掉这些可有可无的物品。

    从JDK1.2版本开始，把对象的引用分为四种级别，从而使程序能更加灵活的控制对象的生命周期。这四种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

1．强引用
    本章前文介绍的引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2．软引用（SoftReference）

    如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可物的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3．弱引用（WeakReference）
    如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可物的生活用品。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。在垃圾回收器线程扫描它 所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。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。 
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4．虚引用（PhantomReference）
    "虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，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。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。

    在本书中，"引用"既可以作为动词，也可以作为名词，读者应该根据上下文来区分"引用"的含义。
在java.lang.ref包中提供了三个类：SoftReference类、WeakReference类和PhantomReference类，它 们分别代表软引用、弱引用和虚引用。ReferenceQueue类表示引用队列，它可以和这三种引用类联合使用，以便跟踪Java虚拟机回收所引用的对 象的活动。以下程序创建了一个String对象、ReferenceQueue对象和WeakReference对象：

//创建一个强引用
String str = new String("hello");

//创建引用队列, <String>为范型标记，表明队列中存放String对象的引用
ReferenceQueue<String> rq = new ReferenceQueue<String>();

//创建一个弱引用，它引用"hello"对象，并且与rq引用队列关联
//<String>为范型标记，表明WeakReference会弱引用String对象
WeakReference<String> wf = new WeakReference<String>(str, rq);

以上程序代码执行完毕，内存中引用与对象的关系如图11-10所示。

图11-10 "hello"对象同时具有强引用和弱引用

在图11-10中，带实线的箭头表示强引用，带虚线的箭头表示弱引用。从图中可以看出，此时"hello"对象被str强引用，并且被一个WeakReference对象弱引用，因此"hello"对象不会被垃圾回收。
在以下程序代码中，把引用"hello"对象的str变量置为null，然后再通过WeakReference弱引用的get()方法获得"hello"对象的引用：

String str = new String("hello"); //① 
ReferenceQueue<String> rq = new ReferenceQueue<String>(); //② 
WeakReference<String> wf = new WeakReference<String>(str, rq); //③

str=null; //④取消"hello"对象的强引用
String str1=wf.get(); //⑤假如"hello"对象没有被回收，str1引用"hello"对象

//假如"hello"对象没有被回收，rq.poll()返回null
Reference<? extends String> ref=rq.poll(); //⑥

    执行完以上第④行后，内存中引用与对象的关系如图11-11所示，此 时"hello"对象仅仅具有弱引用，因此它有可能被垃圾回收。假如它还没有被垃圾回收，那么接下来在第⑤行执行wf.get()方法会返回 "hello"对象的引用，并且使得这个对象被str1强引用。再接下来在第⑥行执行rq.poll()方法会返回null，因为此时引用队列中没有任何 引用。ReferenceQueue的poll()方法用于返回队列中的引用，如果没有则返回null。

图11-11 "hello"对象只具有弱引用

    在以下程序代码中，执行完第④行后，"hello"对象仅仅具有弱引用。接下来两次调用System.gc()方法，催促垃圾回收器工作，从而提高 "hello"对象被回收的可能性。假如"hello"对象被回收，那么WeakReference对象的引用被加入到ReferenceQueue中， 接下来wf.get()方法返回null，并且rq.poll()方法返回WeakReference对象的引用。图11-12显示了执行完第⑧行后内存 中引用与对象的关系。 

String str = new String("hello"); //①
ReferenceQueue<String> rq = new ReferenceQueue<String>(); //② 
WeakReference<String> wf = new WeakReference<String>(str, rq); //③
str=null; //④

//两次催促垃圾回收器工作，提高"hello"对象被回收的可能性
System.gc(); //⑤
System.gc(); //⑥
String str1=wf.get(); //⑦ 假如"hello"对象被回收，str1为null
Reference<? extends String> ref=rq.poll(); //⑧

图11-12 "hello"对象被垃圾回收，弱引用被加入到引用队列

    在以下例程11-15的References类中，依次创建了10个软引用、10个弱引用和10个虚引用，它们各自引用一个Grocery对象。从程序运 行时的打印结果可以看出，虚引用形同虚设，它所引用的对象随时可能被垃圾回收，具有弱引用的对象拥有稍微长的生命周期，当垃圾回收器执行回收操作时，有可 能被垃圾回收，具有软引用的对象拥有较长的生命周期，但在Java虚拟机认为内存不足的情况下，也会被垃圾回收。

例程11-15 References.java
import java.lang.ref.*;
import java.util.*;

class Grocery{
private static final int SIZE = 10000;
//属性d使得每个Grocery对象占用较多内存，有80K左右
private double[] d = new double[SIZE]; 
private String id;
public Grocery(String id) { this.id = id; }
public String toString() { return id; }
public void finalize() {
System.out.println("Finalizing " + id);
}
}

public class References {
private static ReferenceQueue<Grocery> rq = new ReferenceQueue<Grocery>();
public static void checkQueue() {
Reference<? extends Grocery> inq = rq.poll(); //从队列中取出一个引用
if(inq != null)
System.out.println("In queue: "+inq+" : "+inq.get());
}

public static void main(String[] args) {
final int size=10;

//创建10个Grocery对象以及10个软引用
Set<SoftReference<Grocery>> sa = new HashSet<SoftReference<Grocery>>();
for(int i = 0; i < size; i++) {
SoftReference<Grocery> ref=
new SoftReference<Grocery>(new Grocery("Soft " + i), rq);
System.out.println("Just created: " +ref.get());
sa.add(ref);
}
System.gc();
checkQueue();

//创建10个Grocery对象以及10个弱引用
Set<WeakReference<Grocery>> wa = new HashSet<WeakReference<Grocery>>();
for(int i = 0; i < size; i++) {
WeakReference<Grocery> ref=
new WeakReference<Grocery>(new Grocery("Weak " + i), rq);
System.out.println("Just created: " +ref.get());
wa.add(ref); 
}
System.gc();
checkQueue();

//创建10个Grocery对象以及10个虚引用
Set<PhantomReference<Grocery>> pa = new HashSet<PhantomReference<Grocery>>();
for(int i = 0; i < size; i++) {
PhantomReference<Grocery>ref = 
new PhantomReference<Grocery>(new Grocery("Phantom " + i), rq);
System.out.println("Just created: " +ref.get());
pa.add(ref);
}
System.gc();
checkQueue();
}
}

在Java集合中有一种特殊的Map类型：WeakHashMap， 在这种Map中存放了键对象的弱引用，当一个键对象被垃圾回收，那么相应的值对象的引用会从Map中删除。WeakHashMap能够节约存储空间，可用 来缓存那些非必须存在的数据。关于Map接口的一般用法，可参见本书第15章的15.4节（Map）。

    以下例程11-16的MapCache类的main()方法创建了一个WeakHashMap对象，它存放了一组Key对象的弱引用，此外main()方法还创建了一个数组对象，它存放了部分Key对象的强引用。

例程11-16 MapCache.java
import java.util.*;
import java.lang.ref.*;

class Key {
String id;
public Key(String id) { this.id = id; }
public String toString() { return id; }
public int hashCode() { 
return id.hashCode();
}
public boolean equals(Object r) {
return (r instanceof Key)
&& id.equals(((Key)r).id);
}
public void finalize() {
System.out.println("Finalizing Key "+ id);
}
}

class Value {
String id;
public Value(String id) { this.id = id; }
public String toString() { return id; }
public void finalize() {
System.out.println("Finalizing Value "+id);
}
}

public class MapCache {
public static void main(String[] args) throws Exception{
int size = 1000;
// 或者从命令行获得size的大小
if(args.length > 0)size = Integer.parseInt(args[0]);

Key[] keys = new Key[size]; //存放键对象的强引用
WeakHashMap<Key,Value> whm = new WeakHashMap<Key,Value>();
for(int i = 0; i < size; i++) {
Key k = new Key(Integer.toString(i));
Value v = new Value(Integer.toString(i));
if(i % 3 == 0) keys[i] = k; //使Key对象持有强引用 
whm.put(k, v); //使Key对象持有弱引用
}
//催促垃圾回收器工作
System.gc();

//把CPU让给垃圾回收器线程
Thread.sleep(8000);
}
}

以上程序的部分打印结果如下：

Finalizing Key 998
Finalizing Key 997
Finalizing Key 995
Finalizing Key 994
Finalizing Key 992
Finalizing Key 991
Finalizing Key 989
Finalizing Key 988
Finalizing Key 986
Finalizing Key 985
Finalizing Key 983

    从打印结果可以看出，当执行System.gc()方法后，垃圾回收器只会回收那些仅仅持有弱引用的Key对象。id可以被3整数的Key对象持有强引用，因此不会被回收。