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。
      "引用"既可以作为动词，也可以作为名词，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。
        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 991
    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。