Java引用详解

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Java进阶

一、对象可达性

Java虚拟机有5个不同级别的对象的可达性。

●强可达（Strongly reachable）

如果一个对象可以被一些线程直接使用而不用通过其他引用对象（reference objects），那么它就是强可达。一个新创建的对象对创建它的线程来讲就是强可达的。

这是我们知道并且一直在使用的引用类型(译注：通常被new出来的对象都是强可达的,他们的引用就是强引用)。任何通过强引用所使用的对象（在一个活动线程中）都不会被GC回收。

●软可达（Softly reachable）

如果一个对象没有强可达性，但是它可以通过一个软引用(soft reference)来使用，那么它就具有软可达性。

只有当系统需要更多内存时，GC才会回收具有软可达性的对象。在内存不足前，GC保证一定回收软可达的对象。

有可能我们会在代码中写下这么几行：“嘿，我想要把一些数据保存在内存中。但只要JVM快把内存用光的时候，就可以直接将这些东西回收并将这些引用置为null。我会在代码里面处理这种情况。”关于软引用（SoftReference）何时应该被回收的算法依赖于不同的JVM发行版本。它往往是一个跟引用（reference）的使用频率和使用间隔有关的函数。

软引用可用来实现内存敏感的高速缓存.但是具体的行为还是得依赖于JVM。并且多少跟内存回收机制有关，保障很少并且跟具体的JVM发行版本有关。为了缓存的可靠（及其他更多特性），大多数人都会选用像Ehcache而不是用软引用实现自己的缓存。但在一些场合，使用软引用确实可以让代码非常优雅、简洁。

●弱可达（Weakly reachable）

如果一个对象既没有强可达性，也没有软可达性，但是它可以通过一个弱引用(weak reference)来使用，那么他就具有弱可达性。当弱引用指向的弱可达对象没有其他的引用，那么这个对象就会被回收。

弱引用不能阻止垃圾回收机制清理他指向的引用。弱引用最常见的使用情景是通过WeakHashMap。它是一种简单地将对象的生命周期跟Map中对象的索引域（key）绑定的方式。只有当WeakHashMap中的Key是强可达，也就是WeakHashMap中的数据域（Data域）的对象，在应用程序的其他地方有别的引用的时候，它里面的值才不会被回收。一旦应用程序中没有其他对WeakHashMap中对象的引用，那么它的所有的key就会变成弱可达，不需要用户的额外干预，所有WeakHashMap中的对象都会被清除。这是一种优雅地防止内存泄露的方式。

●虚可达（Phantom reachable）

如果一个对象既没有强可达性，也没有软可达性、弱可达性，他已经被终结（finalized），并且有一些虚引用（phantom reference）指向它，那么它就具有虚可达性。

虚引用（PhantomReference）指向的对象是不能被取回使用的。它的get()方法永远返回null，所以它有什么用呢？

所有的引用类型都允许在构造函数中指定一个引用队列（ReferenceQueue）。从语义上讲一个虚引用（PhantomReference）以什么方式、何时入队让对象终结（finalization）以一种更好、更健壮的方式进行。

●不可达（Unreachable）

当一个对象不能通过以上的方式指向，那么这个对象就变得不可达，并因此适合被回收。

二、可达性分析算法

在主流的商用程序语言（Java、C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp）的主流实现中，都是称通过可达性分析（Reachability Analysis）来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。如图3-1所示，对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

方法区中类静态属性引用的对象。

方法区中常量引用的对象。

本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

三、引用的概念及应用

在JDK 1.2以前的版本中，若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（reachable）状态，程序才能使用它。从JDK 1.2版本开始，把对象的引用分为4种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这4种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

●强引用

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那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的问题。

●软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，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（下文给出示例）。

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器回收，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。

SoftReference的特点是它的一个实例保存对一个Java对象的软引用，该软引用的存在不妨碍垃圾收集线程对该Java对象的回收。也就是说，一旦SoftReference保存了对一个Java对象的软引用后，在垃圾线程对这个Java对象回收前，SoftReference类所提供的get()方法返回Java对象的强引用。另外，一旦垃圾线程回收该Java对象之后，get()方法将返回null。

为什么要使用SoftReference?在不使用SoftReference的时候，程序所需要的数据要么保存在内存中，如果数据量比较大的话，会占用比较多的内存；要么保存在介质中，需要时进行加载，在性能上肯定比不上直接读取内存。SoftReference算是比较折中的一种解决方案，它先将数据保存在内存中，在内存不足的情况下，才将数据回收。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存.但是具体的行为还是得依赖于JVM。并且多少跟内存回收机制有关，保障很少并且跟具体的JVM发行版本有关。为了缓存的可靠（及其他更多特性），大多数人都会选用像Ehcache而不是用软引用实现自己的缓存。

示例：

大数据对象：照片Image

/**
 * 图片，包含大量数据
 * @author Grucee
 */
public class Image {
	private byte[][] buffer;
	private int id;	
	public Image(int id, byte[][] data) {
		this.id = id;
		buffer = data;
	}	
	public int getId() {
		return this.id;
	}	
	public String toString() {
		return "image[" + this.id + "]";
	}
}

缓存管理ImageCacheManager

/**
 * 图片缓存
 * 
 * @author Grucee
 */
public class ImageCacheManager {
	private static ImageCacheManager imageCache = null;
	private ImageCacheManager() {}
	/**
	 * 作为一个管理器，当然要单例了，不允许随便new一个就当做管理器
	 * @return
	 */
	public static ImageCacheManager instance() {
		if (imageCache == null) {
			synchronized (ImageCacheManager.class) {
				if (imageCache == null) {
					imageCache = new ImageCacheManager();
				}
			}
		}

		return imageCache;
	}

	// 保存数据的地方
	private Map<Integer, SoftReference<Image>> cache = new HashMap<Integer, SoftReference<Image>>();

	public void put(Image image) {
		cache.put(image.getId(), new SoftReference<Image>(image));
	}

	private Image loadImage(int id) {
		byte[][] data = new byte[1024][1024];
		data[1023][1023] = 1;
		return new Image(id, data);
	}

	public Image get(int id) {
		SoftReference<Image> ref = cache.get(id);
		// 没有放入过缓存，第一次加载
		if (ref == null) {
			Image loadFirst = loadImage(id);
			// 放入缓存
			put(loadFirst);
			return loadFirst;
		}

		// 下面的情况是该图片已经被加载过，但是可能由于内存不足，又被回收了
		// 为了便于理解，使用了if else分支方式，其实else不是必须的。
		// 这两个分支，不管哪一个返回的都是对image的强引用
		Image cachedImage = ref.get();
		if (cachedImage == null) {
			// 从真实介质中读取(此处模拟这个操作）
			Image imageGetFromMedia = loadImage(id);
			// 缓存起来
			put(imageGetFromMedia);

			System.out.println("get image:" + id + " from media.");
			return imageGetFromMedia;
		} else {
			System.out.println("get image:" + id + " from cache.");
			return cachedImage;
		}
	}
}

测试类

/**
 * 测试类
 * @author Grucee
 */
public class SoftReferenceTest 
{
	private ImageCacheManager cacheMgr = ImageCacheManager.instance();
	/**
	 * 设置启动参数
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		SoftReferenceTest tester = new SoftReferenceTest();
		//先把数据load进来
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			tester.cacheMgr.get(i);
		}
		
		//一张特殊的图片，这里保存了一个对这张图片的强引用，所以该对象不会被回收
		Image myPhoto = tester.cacheMgr.get(7);
		System.out.println("--------------------------");
		System.out.println(myPhoto);
		System.out.println("--------------------------");
		
		//打印图片
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			tester.printImage(i);
		}
	}
	
	public void printImage(int id) {
		System.out.println(cacheMgr.get(id));
	}
}

启动设置内存堆大小为10M

-Xmx10M -Xms10M -verbose:gc

测试一：

当测试类SoftReferenceTest中特殊图片是第8张是，运行结果

[GC (Allocation Failure) 2048K->1972K(9728K), 0.0048794 secs]

get image:8from cache.

--------------------------

image[8]

--------------------------

[GC (Allocation Failure) 2898K->3066K(9728K), 0.0019205 secs]

get image:0from media.

image[0]

get image:1from media.

image[1]

[GC (Allocation Failure) 5114K->5338K(9728K), 0.0007850 secs]

[Full GC (Ergonomics) 5338K->4866K(9728K), 0.0032548 secs]

get image:2from media.

image[2]

get image:3from media.

image[3]

[GC (Allocation Failure) 6914K->7114K(8704K), 0.0006606 secs]

[Full GC (Ergonomics) 7114K->6907K(8704K), 0.0028911 secs]

get image:4from media.

image[4]

[Full GC (Ergonomics) 7931K->7912K(8704K), 0.0075340 secs]

get image:5from media.

image[5]

[GC (Allocation Failure) 3014K->3022K(9216K), 0.0004105 secs]

get image:6from media.

image[6]

[GC (Allocation Failure) 4045K->4118K(9216K), 0.0011056 secs]

get image:7from media.

image[7]

get image:8from cache.

image[8]

[GC (Allocation Failure) 5141K->5262K(9216K), 0.0005411 secs]

get image:9from media.

image[9]

测试二：

当测试类SoftReferenceTest中特殊图片是第7张是，运行结果

[GC (Allocation Failure) 2048K->1972K(9728K), 0.0048794 secs]

get image:7from media.

--------------------------

image[7]

--------------------------

[GC (Allocation Failure) 2898K->3066K(9728K), 0.0019205 secs]

get image:0from media.

image[0]

get image:1from media.

image[1]

[GC (Allocation Failure) 5114K->5338K(9728K), 0.0007850 secs]

[Full GC (Ergonomics) 5338K->4866K(9728K), 0.0032548 secs]

get image:2from media.

image[2]

get image:3from media.

image[3]

[GC (Allocation Failure) 6914K->7114K(8704K), 0.0006606 secs]

[Full GC (Ergonomics) 7114K->6907K(8704K), 0.0028911 secs]

get image:4from media.

image[4]

[Full GC (Ergonomics) 7931K->7912K(8704K), 0.0075340 secs]

get image:5from media.

image[5]

[GC (Allocation Failure) 3014K->3022K(9216K), 0.0004105 secs]

get image:6from media.

image[6]

[GC (Allocation Failure) 4045K->4118K(9216K), 0.0011056 secs]

get image:7from cache.

image[7]

get image:8from media.

image[8]

[GC (Allocation Failure) 5141K->5262K(9216K), 0.0005411 secs]

get image:9from media.

image[9]

测试一和测试二对比

首先我们通过启动参数-Xmx10M -Xms10M -verbose:gc，将jvm的堆内存大小设置为10M。

现在我们有10张照片，每张1M大小。由于JVM堆中还有方法区（存放类定义）、常量池等，所以这10张照片是不能够全部存放在cache中的。

通过上面测试一和测试二的对比我们可以看出，当全部加载10张图片后，我们获取第八张图片是从cache中取的；获取第七张图片时，是重新加载的（从media中加载）。所以实际上，由于内存有限，我们的cache只是在内存中保存了2张照片；之前加载的照片由被回收了，通过[GC (Allocation Failure) 6914K->7114K(8704K), 0.0006606 secs]可以看出进行了内存回收。

所以，我们这里实现的cache在内存不足的时候，会自动被回收的。

之后我们强引用了一张图片，可以看出存在强引用的这张图片是一直存在内存中的，不会被回收。

●弱引用（WeakReference）

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。

弱引用最常见的用处是在集合类中，尤其在哈希表中。哈希表的接口允许使用任何Java对象作为键来使用。当一个键值对被放入到哈希表中之后，哈希表对象本身就有了对这些键和值对象的引用。如果这种引用是强引用的话，那么只要哈希表对象本身还存活，其中所包含的键和值对象是不会被回收的。如果某个存活时间很长的哈希表中包含的键值对很多，最终就有可能消耗掉JVM中全部的内存。

对于这种情况的解决办法就是使用弱引用来引用这些对象，这样哈希表中的键和值对象都能被垃圾回收。Java中提供了WeakHashMap来满足这一常见需求。

示例：

public staticvoid main(String[] args)

{

Map<Integer, String> map = new WeakHashMap<Integer, String>();

Integer key = new Integer(1);

map.put(key, "test");

// key不再有强引用

key = null;

System.gc();

//等待一段时间，进行垃圾回收

try {

Thread.sleep(10000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(map.size());

}

输出：

[GC (Allocation Failure) 509K->520K(130560K), 0.0028151 secs]

[GC (System.gc()) 746K->560K(131072K), 0.0007948 secs]

[Full GC (System.gc()) 560K->513K(131072K), 0.0091938 secs]

可见当WeakHashMap中key不存在强引用时，随时都会从map中移除。

●虚引用（PhantomReference）

1、 基本概念

“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器回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。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。

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。如果程序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。

2、析构finalization

Java中内存管理是自动进行的。开发者无需关心已经释放的对象的内存回收。这样的一个缺点是开发者无法得知某个特定对象何时被回收；另外，开发者无法控制内存管理。不过，java.lang.ref包定义了一些可以和垃圾回收器进行有限交互的类。具体的类是SoftReference,WeakReference以及PhantomReference，它们是Reference的子类，以不同的方式和垃圾回收器交互。

有时需要在对象被回收前做一些清理工作，可以使用析构方法。该特性可以用来回收对象相关的本地资源。但是，Java中的析构方法有很多的问题。

第一：我们无法预期finalize()何时会被调用。没有任何保证某个对象一定会被垃圾回收。一个在JVM整个生命周期中可达的对象永远不会被回收；也有可能，在对象变成可回收之后和JVM停止之前，垃圾回收线程没有运行。

第二：Java析构方法会将应用程序拖慢。管理重载了finalize()方法的对象需要耗费JVM更多的资源。

第三：对象即使被调用了finalize()方法，也无法保证该对象一定会被回收；并且，可以在finalize()方法中对对象进行拯救（重新赋予强引用）。

虽然有可达性分析算法来判定对对象状态，但这并不是对象是否被回收的条件，对象回收的条件远远比这个复杂，比如无法通过ROOT找到的对象，也不一定会回收，会进入一个死缓的阶段，那些无法通过根节点引用链找到的对象，会被第一次标记，并进行一次筛选，筛选条件是此对象是否有必要执行finalize()方法，当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize() 方法已经被虚拟机调用过，虚拟机都视为“没必要执行”。

如果该对象被判定为有必要执行finalize()，那么对象会被放置在一个F-Queue 的队列中，并由一个优先级较低的Finalizer线程去执行，这里的执行是 JVM 会触发这个方法，但并不保证等待他运行结束，因为finalize() 方法执行慢，或者死循环，会影响该队列其他元素执行。

执行finalize() 方法就会进行第二次标记，然后等待JVM 进行回收了，而在finalize() 方法执行的同时，可以对对象进行“拯救”，也就是说在执行方法内部，再次对对象进行引用，那么对象就复活了。

示例：

public class SaveFinalizedObject {
	private static class User {
		public static Resource res = null;
	}
	private static class Resource {
		@Override
		protected void finalize() throws Throwable {
			super.finalize();
			System.out.println("执行finalize方法，并拯救对象");
			User.res = this;
		}
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		// 使用者占用资源
		User.res = new Resource();
		// 使用者释放资源，这时上面new的Resource对象已经没有强引用，可以被垃圾回收
		User.res = null;

		// 此处如果执行了finalize方法后，对象即可被拯救成功，又有了强引用
		System.gc();
		Thread.sleep(500); // gc线程优先级比较低，此处等待垃圾回收
		System.out.println(User.res);

		// 再次释放资源，让资源被回收(此时已经不能被拯救，因为finalize方法只会被调用一次）
		User.res = null;
		Thread.sleep(500);
		System.out.println(User.res);
	}
}

程序输出：

[GC (Allocation Failure) 509K->504K(130560K), 0.0008240 secs]

[GC (System.gc()) 739K->568K(131072K), 0.0019017 secs]

[Full GC (System.gc()) 568K->513K(131072K), 0.0067556 secs]

执行finalize方法，并拯救对象

grucee.test.Main$Resource@15db9742

null

强烈建议不要重写Object的finalize()方法。

3、虚引用—何时使用虚引用？

当理智告诉我们不应该使用finalize(由于上面一系列的缺点)，可以考虑使用虚引用。该类型的引用和java.lang.ref包中定义的其他引用不同，因为它不是用来访问对象的，只是作为一个对象已经被析构、垃圾回收期准备回收它的内存的信号。

正如API文档中所说：

虚引用对象，在垃圾回收器确定它所引用的对象要被回收之后，会被放入队列。虚引用常被用来以比JAVA析构机制更灵活的方式执行清理动作。

虚引用是一种比较安全的知道对象已经从内存中移除的方式。例如，考虑一个处理大图片的应用程序。我们希望内存中已经存在的大图片在被垃圾回收期准备回收后，才去加载新的大图片。这种情况下，虚引用是一种灵活、安全的选择。旧的图片对象在析构后，会被放在ReferenceQueue引用队列中；在队列中可获取该引用后，我们就可以加载新的大图片到内存中了。

示例：

/**
 * 虚引用测试用例
 * @author Grucee
 */
public class PhantomReferenceTest {

	private static class Connection {
		private int resourceId;
		private Connection(int resourceId) {
			System.out.println("分配资源：" + resourceId);
			this.resourceId = resourceId;
		}
			
		public int getResourceId() {
			return this.resourceId;
		}
	}
	
	private static class ConnectionMonitor extends PhantomReference<Connection> {
		private int resourceId;
		private ReferenceQueue<Connection> queue;
		public ConnectionMonitor(Connection referent, ReferenceQueue<Connection> queue) {
			super(referent, queue);
			this.resourceId = referent.getResourceId();
			this.queue = queue;
		}
		
		public void waitToCleanUP() {
			try {
				//此处会阻塞一直到被引用的connection被回收
				queue.remove();
				this.clear();
				//资源清理
				System.out.println("清理资源:" + this.resourceId);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	
	/**
	 * 上个连接的资源回收之后，才允许分配下一个连接
	 * @author Grucee
	 */
	public static class ConnectioinManager {
		private static ConnectionMonitor monitor = null;
		private ConnectioinManager(){}
		public synchronized static Connection openConnection(int resourceId) {
			if (monitor != null) {
				monitor.waitToCleanUP();
			}
			
			Connection conn = new Connection(resourceId);
			ReferenceQueue<Connection> queue = new ReferenceQueue<Connection>();
			monitor = new ConnectionMonitor(conn, queue);
			return conn;
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Connection conn = ConnectioinManager.openConnection(101);
		//如果不添加这一行，会发现一直得不到102资源
		conn = null;
		System.gc();
		conn = ConnectioinManager.openConnection(102);
	}
}

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Java线程池的使用 | ZooKeeper初探

2014-08-20 21:08
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