Java引用型別原理剖析

阿新 • • 發佈：2018-11-05

Java中一共有4種引用型別(其實還有一些其他的引用型別比如FinalReference)：強引用、軟引用、弱引用、虛引用。其中強引用就是我們經常使用的Object a = new Object(); 這樣的形式，在Java中並沒有對應的Reference類。

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現，這三種引用型別都是繼承於Reference這個類，主要邏輯也在Reference中。

更多文章見個人部落格：github.com/farmerjohng…

問題

在分析前，先拋幾個問題？

1.網上大多數文章對於軟引用的介紹是：在記憶體不足的時候才會被回收，那記憶體不足是怎麼定義的？什麼才叫記憶體不足？

2.網上大多數文章對於虛引用的介紹是：形同虛設，虛引用並不會決定物件的生命週期。主要用來跟蹤物件被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？

Reference

我們先看下Reference.java中的幾個欄位

public abstract class Reference<T> {
    //引用的物件
    private T referent;        
	//回收佇列，由使用者在Reference的建構函式中指定
    volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
 	//當該引用被加入到queue中的時候，該欄位被設定為queue中的下一個元素，以形成連結串列結構 

    volatile Reference next;
    //在GC時，JVM底層會維護一個叫DiscoveredList的連結串列，存放的是Reference物件，discovered欄位指向的就是連結串列中的下一個元素，由JVM設定
    transient private Reference<T> discovered;  
	//進行執行緒同步的鎖物件
    static private class Lock { }
    private static Lock lock = new Lock();
	//等待加入queue的Reference物件，在GC時由JVM設定，會有一個java層的執行緒(ReferenceHandler)源源不斷的從pending中提取元素加入到queue 

    private static Reference<Object> pending = null;
}

複製程式碼

一個Reference物件的生命週期如下：

主要分為Native層和Java層兩個部分。

Native層在GC時將需要被回收的Reference物件加入到DiscoveredList中（程式碼在referenceProcessor.cpp中process_discovered_references方法），然後將DiscoveredList的元素移動到PendingList中（程式碼在referenceProcessor.cpp中enqueue_discovered_ref_helper方法）,PendingList的隊首就是Reference類中的pending物件。具體程式碼就不分析了，有興趣的同學可以看看這篇文章。

看看Java層的程式碼

private static class ReferenceHandler extends Thread {
     	...
        public void run() {
            while (true) {
                tryHandlePending(true);
            }
        }
  } 
static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
        Reference<Object> r;
        Cleaner c;
        try {
            synchronized (lock) {
                if (pending != null) {
                    r = pending;
                 	//如果是Cleaner物件，則記錄下來，下面做特殊處理
                    c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
                    //指向PendingList的下一個物件
                    pending = r.discovered;
                    r.discovered = null;
                } else {
                   //如果pending為null就先等待，當有物件加入到PendingList中時，jvm會執行notify
                    if (waitForNotify) {
                        lock.wait();
                    }
                    // retry if waited
                    return waitForNotify;
                }
            }
        } 
        ...

        // 如果時CLeaner物件，則呼叫clean方法進行資源回收
        if (c != null) {
            c.clean();
            return true;
        }
		//將Reference加入到ReferenceQueue，開發者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到物件被回收的事件。
        ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
        if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
        return true;
 }
複製程式碼

流程比較簡單：就是源源不斷的從PendingList中提取出元素，然後將其加入到ReferenceQueue中去，開發者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到物件被回收的事件。

另外需要注意的是，對於Cleaner型別（繼承自虛引用）的物件會有額外的處理：在其指向的物件被回收時，會呼叫clean方法，該方法主要是用來做對應的資源回收，在堆外記憶體DirectByteBuffer中就是用Cleaner進行堆外記憶體的回收，這也是虛引用在java中的典型應用。

看完了Reference的實現，再看看幾個實現類裡，各自有什麼不同。

SoftReference

public class SoftReference<T> extends Reference<T> {
    
    static private long clock;
    
    private long timestamp;
   
    public SoftReference(T referent) {
        super(referent);
        this.timestamp = clock;
    }
 
    public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
        this.timestamp = clock;
    }

    public T get() {
        T o = super.get();
        if (o != null && this.timestamp != clock)
            this.timestamp = clock;
        return o;
    }

}
複製程式碼

軟引用的實現很簡單，就多了兩個欄位：clock和timestamp。clock是個靜態變數，每次GC時都會將該欄位設定成當前時間。timestamp欄位則會在每次呼叫get方法時將其賦值為clock（如果不相等且物件沒被回收）。

那這兩個欄位的作用是什麼呢？這和軟引用在記憶體不夠的時候才被回收，又有什麼關係呢？

這些還得看JVM的原始碼才行，因為決定物件是否需要被回收都是在GC中實現的。

size_t
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
  DiscoveredList               refs_lists[],
  ReferencePolicy*             policy,
  bool                         clear_referent,
  BoolObjectClosure*           is_alive,
  OopClosure*                  keep_alive,
  VoidClosure*                 complete_gc,
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
{
 ...
   //還記得上文提到過的DiscoveredList嗎?refs_lists就是DiscoveredList。
   //對於DiscoveredList的處理分為幾個階段，SoftReference的處理就在第一階段
 ...
      for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
        process_phase1(refs_lists[i], policy,
                       is_alive, keep_alive, complete_gc);
      }
 ...
}

//該階段的主要目的就是當記憶體足夠時，將對應的SoftReference從refs_list中移除。
void
ReferenceProcessor::process_phase1(DiscoveredList&    refs_list,
                                   ReferencePolicy*   policy,
                                   BoolObjectClosure* is_alive,
                                   OopClosure*        keep_alive,
                                   VoidClosure*       complete_gc) {
  
  DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
  // Decide which softly reachable refs should be kept alive.
  while (iter.has_next()) {
    iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(!discovery_is_atomic() /* allow_null_referent */));
    //判斷引用的物件是否存活
    bool referent_is_dead = (iter.referent() != NULL) && !iter.is_referent_alive();
    //如果引用的物件已經不存活了，則會去呼叫對應的ReferencePolicy判斷該物件是不時要被回收
    if (referent_is_dead &&
        !policy->should_clear_reference(iter.obj(), _soft_ref_timestamp_clock)) {
      if (TraceReferenceGC) {
        gclog_or_tty->print_cr("Dropping reference (" INTPTR_FORMAT ": %s"  ") by policy",
                               (void *)iter.obj(), iter.obj()->klass()->internal_name());
      }
      // Remove Reference object from list
      iter.remove();
      // Make the Reference object active again
      iter.make_active();
      // keep the referent around
      iter.make_referent_alive();
      iter.move_to_next();
    } else {
      iter.next();
    }
  }
 ...
}
複製程式碼

refs_lists中存放了本次GC發現的某種引用型別（虛引用、軟引用、弱引用等），而process_discovered_reflist方法的作用就是將不需要被回收的物件從refs_lists移除掉，refs_lists最後剩下的元素全是需要被回收的元素，最後會將其第一個元素賦值給上文提到過的Reference.java#pending欄位。

ReferencePolicy一共有4種實現：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。其中NeverClearPolicy永遠返回false，代表永遠不回收SoftReference，在JVM中該類沒有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以設定policy為AlwaysClearPolicy，至於什麼時候會用到AlwaysClearPolicy，大家有興趣可以自行研究。

LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy的should_clear_reference方法則是完全相同：

bool LRUMaxHeapPolicy::should_clear_reference(oop p,
                                             jlong timestamp_clock) {
  jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p);
  assert(interval >= 0, "Sanity check");

  // The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc.
  if(interval <= _max_interval) {
    return false;
  }

  return true;
}
複製程式碼

timestamp_clock就是SoftReference的靜態欄位clock，java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)對應是欄位timestamp。如果上次GC後有呼叫SoftReference#get，interval值為0，否則為若干次GC之間的時間差。

_max_interval則代表了一個臨界值，它的值在LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy兩種策略中有差異。

void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
  _max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
  assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}

void LRUMaxHeapPolicy::setup() {
  size_t max_heap = MaxHeapSize;
  max_heap -= Universe::get_heap_used_at_last_gc();
  max_heap /= M;

  _max_interval = max_heap * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
  assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}
複製程式碼

其中SoftRefLRUPolicyMSPerMB預設為1000，前者的計算方法和上次GC後可用堆大小有關，後者計算方法和（堆大小-上次gc時堆使用大小）有關。

看到這裡你就知道SoftReference到底什麼時候被被回收了，它和使用的策略（預設應該是LRUCurrentHeapPolicy），堆可用大小，該SoftReference上一次呼叫get方法的時間都有關係。

WeakReference

public class WeakReference<T> extends Reference<T> {

    public WeakReference(T referent) {
        super(referent);
    }

    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }

}
複製程式碼

可以看到WeakReference在Java層只是繼承了Reference，沒有做任何的改動。那referent欄位是什麼時候被置為null的呢？要搞清楚這個問題我們再看下上文提到過的process_discovered_reflist方法：

size_t
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
  DiscoveredList               refs_lists[],
  ReferencePolicy*             policy,
  bool                         clear_referent,
  BoolObjectClosure*           is_alive,
  OopClosure*                  keep_alive,
  VoidClosure*                 complete_gc,
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
{
 ...

  //Phase 1:將所有不存活但是還不能被回收的軟引用從refs_lists中移除（只有refs_lists為軟引用的時候，這裡policy才不為null）
  if (policy != NULL) {
    if (mt_processing) {
      RefProcPhase1Task phase1(*this, refs_lists, policy, true /*marks_oops_alive*/);
      task_executor->execute(phase1);
    } else {
      for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
        process_phase1(refs_lists[i], policy,
                       is_alive, keep_alive, complete_gc);
      }
    }
  } else { // policy == NULL
    assert(refs_lists != _discoveredSoftRefs,
           "Policy must be specified for soft references.");
  }

  // Phase 2:
  // 移除所有指向物件還存活的引用
  if (mt_processing) {
    RefProcPhase2Task phase2(*this, refs_lists, !discovery_is_atomic() /*marks_oops_alive*/);
    task_executor->execute(phase2);
  } else {
    for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
      process_phase2(refs_lists[i], is_alive, keep_alive, complete_gc);
    }
  }

  // Phase 3:
  // 根據clear_referent的值決定是否將不存活物件回收
  if (mt_processing) {
    RefProcPhase3Task phase3(*this, refs_lists, clear_referent, true /*marks_oops_alive*/);
    task_executor->execute(phase3);
  } else {
    for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
      process_phase3(refs_lists[i], clear_referent,
                     is_alive, keep_alive, complete_gc);
    }
  }

  return total_list_count;
}

void
ReferenceProcessor::process_phase3(DiscoveredList&    refs_list,
                                   bool               clear_referent,
                                   BoolObjectClosure* is_alive,
                                   OopClosure*        keep_alive,
                                   VoidClosure*       complete_gc) {
  ResourceMark rm;
  DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
  while (iter.has_next()) {
    iter.update_discovered();
    iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(false /* allow_null_referent */));
    if (clear_referent) {
      // NULL out referent pointer
      //將Reference的referent欄位置為null，之後會被GC回收
      iter.clear_referent();
    } else {
      // keep the referent around
      //標記引用的物件為存活，該物件在這次GC將不會被回收
      iter.make_referent_alive();
    }
	...
  }
    ...
}

複製程式碼

不管是弱引用還是其他引用型別，將欄位referent置null的操作都發生在process_phase3中，而具體行為是由clear_referent的值決定的。而clear_referent的值則和引用型別相關。

ReferenceProcessorStats ReferenceProcessor::process_discovered_references(
  BoolObjectClosure*           is_alive,
  OopClosure*                  keep_alive,
  VoidClosure*                 complete_gc,
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor,
  GCTimer*                     gc_timer) {
  NOT_PRODUCT(verify_ok_to_handle_reflists());
	...
  //process_discovered_reflist方法的第3個欄位就是clear_referent
  // Soft references
  size_t soft_count = 0;
  {
    GCTraceTime tt("SoftReference", trace_time, false, gc_timer);
    soft_count =
      process_discovered_reflist(_discoveredSoftRefs, _current_soft_ref_policy, true,
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  }

  update_soft_ref_master_clock();

  // Weak references
  size_t weak_count = 0;
  {
    GCTraceTime tt("WeakReference", trace_time, false, gc_timer);
    weak_count =
      process_discovered_reflist(_discoveredWeakRefs, NULL, true,
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  }

  // Final references
  size_t final_count = 0;
  {
    GCTraceTime tt("FinalReference", trace_time, false, gc_timer);
    final_count =
      process_discovered_reflist(_discoveredFinalRefs, NULL, false,
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  }

  // Phantom references
  size_t phantom_count = 0;
  {
    GCTraceTime tt("PhantomReference", trace_time, false, gc_timer);
    phantom_count =
      process_discovered_reflist(_discoveredPhantomRefs, NULL, false,
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  }
	...
}
複製程式碼

可以看到，對於Soft references和Weak references clear_referent欄位傳入的都是true，這也符合我們的預期：物件不可達後，引用欄位就會被置為null，然後物件就會被回收（對於軟引用來說，如果記憶體足夠的話，在Phase 1，相關的引用就會從refs_list中被移除，到Phase 3時refs_list為空集合）。

但對於Final references和 Phantom references，clear_referent欄位傳入的是false，也就意味著被這兩種引用型別引用的物件，如果沒有其他額外處理，只要Reference物件還存活，那引用的物件是不會被回收的。Final references和物件是否重寫了finalize方法有關，不在本文分析範圍之內，我們接下來看看Phantom references。

PhantomReference

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
 
    public T get() {
        return null;
    }
 
    public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }

}
複製程式碼

可以看到虛引用的get方法永遠返回null，我們看個demo。

 public static void demo() throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue<Object> refQueue =new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phanRef =new PhantomReference<>(obj, refQueue);

        Object objg = phanRef.get();
        //這裡拿到的是null
        System.out.println(objg);
        //讓obj變成垃圾
        obj=null;
        System.gc();
        Thread.sleep(3000);
		//gc後會將phanRef加入到refQueue中
        Reference<? extends Object> phanRefP = refQueue.remove();
     	//這裡輸出true
        System.out.println(phanRefP==phanRef);
    }
複製程式碼

從以上程式碼中可以看到，虛引用能夠在指向物件不可達時得到一個'通知'（其實所有繼承References的類都有這個功能），需要注意的是GC完成後，phanRef.referent依然指向之前建立Object，也就是說Object物件一直沒被回收！

而造成這一現象的原因在上一小節末尾已經說了：對於Final references和 Phantom references，clear_referent欄位傳入的時false，也就意味著被這兩種引用型別引用的物件，如果沒有其他額外處理，在GC中是不會被回收的。

對於虛引用來說，從refQueue.remove();得到引用物件後，可以呼叫clear方法強行解除引用和物件之間的關係，使得物件下次可以GC時可以被回收掉。

End

針對文章開頭提出的幾個問題，看完分析，我們已經能給出回答：

1.我們經常在網上看到軟引用的介紹是：在記憶體不足的時候才會回收，那記憶體不足是怎麼定義的？為什麼才叫記憶體不足？

軟引用會在記憶體不足時被回收，記憶體不足的定義和該引用物件get的時間以及當前堆可用記憶體大小都有關係，計算公式在上文中也已經給出。

2.網上對於虛引用的介紹是：形同虛設，與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定物件的生命週期。主要用來跟蹤物件被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎？

嚴格的說，虛引用是會影響物件生命週期的，如果不做任何處理，只要虛引用不被回收，那其引用的物件永遠不會被回收。所以一般來說，從ReferenceQueue中獲得PhantomReference物件後，如果PhantomReference物件不會被回收的話（比如被其他GC ROOT可達的物件引用），需要呼叫clear方法解除PhantomReference和其引用物件的引用關係。

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢？

DirectByteBuffer中是用虛引用的子類Cleaner.java來實現堆外記憶體回收的，後續會寫篇文章來說說堆外記憶體的裡裡外外。

Ps：最近一直在找工作，所以半個多月沒寫文章，本來是想簡單寫下Java引用的幾個點的，但寫的時候才發現不把牽連到的知識點說清楚不行，所以又寫了這麼多。希望自己能拿到一個滿意的offer！

Java引用型別原理剖析

問題

Reference

SoftReference

WeakReference

PhantomReference

End

Java引用型別原理剖析

Java引用型別轉換

jvm 07-java引用型別

java——引用型別引數傳遞

深入理解Java引用型別

Java - 引用型別

你不可不知的Java引用型別之ReferenceQueue原始碼詳解

你不可不知的Java引用型別之——虛引用

你不可不知的Java引用型別之——Reference原始碼解析

你不可不知的Java引用型別之——SoftReference原始碼詳解

你不可不知的Java引用型別之——WeakReference原始碼詳解

你不可不知的Java引用型別之——PhantomReference原始碼詳解

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Java引用型別原理剖析

問題

Reference

SoftReference

WeakReference

PhantomReference

End

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