本文通過探析Java中的引用模型，分析比較強引用、軟引用、弱引用、虛引用的概念及使用場景，知其然且知其所以然，希望給大家在實際開發實踐、學習開源專案提供參考。

Java的引用

對於Java中的垃圾回收機制來說，物件是否被應該回收的取決於該物件是否被引用。因此，引用也是JVM進行記憶體管理的一個重要概念。Java中是JVM負責記憶體的分配和回收，這是它的優點（使用方便，程式不用再像使用C語言那樣擔心記憶體），但同時也是它的缺點（不夠靈活）。由此，Java提供了引用分級模型，可以定義Java物件重要性和優先順序，提高JVM記憶體回收的執行效率。

關於引用的定義，在JDK1.2之前，如果reference型別的資料中儲存的數值代表的是另一塊記憶體的起始地址，就稱為這塊記憶體代表著一個引用；JDK1.2之後，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分為強引用(Strong Reference)、軟引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虛引用(Phantom Reference)四種。

軟引用物件和弱應用物件主要用於：當記憶體空間還足夠，則能儲存在記憶體之中；如果記憶體空間在垃圾收集之後還是非常緊張，則可以拋棄這些物件。很多系統的快取功能都符合這樣的使用場景。

而虛引用物件用於替代不靠譜的finalize方法，可以獲取物件的回收事件，來做資源清理工作。

物件生命週期

無分級引用物件生命週期

前面提到，分層引用的模型是用於記憶體回收，沒有分級引用物件下，一個物件從建立到回收的生命週期可以簡單地用下圖概括：物件被建立，被使用，有資格被收集，最終被收集，陰影區域表示物件“強可達”時間：

物件生命週期(無分級引用)

有分級引用物件生命週期

JDK1.2引入java.lang.ref程式包之後，物件的生命週期多了3個階段，軟可達，弱可達，虛可達，這些狀態僅適用於符合垃圾回收條件的物件，這些物件處於非強引用階段，而且需要基於java.lang.ref包中的相關的引用物件類來指示標明。

軟可達

軟可達物件用SoftReference來指示標明，並沒有強引用，垃圾回收器會盡可能長時間地保留物件，但是會在丟擲OutOfMemoryError異常之前收集它。

弱可達

弱可達物件用WeakReference來指示標明，並沒有強引用或軟引用，垃圾回收器會隨時回收物件，並不會嘗試保留它，但是會在丟擲OutOfMemoryError異常之前收集它。

在物件回收階段中，該物件在major collection期間被回收，但是可以在minor collection期間存活

虛可達

虛可達物件用PhantomReference來指示標明，它已經被標記選中進行垃圾回收並且它的finalizer(如果有)已經執行。在這種情況下，術語“可達”實際上是用詞不當，因為您無法訪問實際物件。

物件生命週期(有分級引用)

物件生命週期圖中新增三個新的可選狀態會造成一些困惑。邏輯順序上是從強可達到軟，弱和虛，最終到回收，但實際的情況取決於程式建立的參考物件。但如果建立WeakReference但不建立SoftReference，則物件直接從強可達到弱到達最終到收集。

強引用

強引用就是指在程式程式碼之中普遍存在的，比如下面這段程式碼中的obj和str都是強引用：

只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收被引用的物件，即使在記憶體不足的情況下，JVM即使丟擲OutOfMemoryError異常也不會回收這種物件。

實際使用上，可以通過把引用顯示賦值為null來中斷物件與強引用之前的關聯，如果沒有任何引用執行物件，垃圾收集器將在合適的時間回收物件。

例如ArrayList類的remove方法中就是通過將引用賦值為null來實現清理工作的：

引用物件

介紹軟引用、弱引用和虛引用之前，有必要介紹一下引用物件，

引用物件是程式程式碼和其他物件之間的間接層，稱為引用物件。每個引用物件都圍繞物件的引用構造，並且不能更改引用值。

引用物件提供get()來獲得其引用值的一個強引用，垃圾收集器可能隨時回收引用值所指的物件。

一旦物件被回收，get()方法將返回null，要正確使用引用物件，下面使用SoftReference(軟引用物件)作為參考示例：

也就是說，使用時：

1、必須經常檢查引用值是否為null

垃圾收集器可能隨時回收引用物件，如果輕率地使用引用值，遲早會得到一個NullPointerException。

2、必須使用強引用來指向引用物件返回的值

垃圾收集器可能在任何時間回收引用物件，即使在一個表示式中間。

3、必須持有引用物件的強引用

如果建立引用物件，沒有持有物件的強引用，那麼引用物件本身將被垃圾收集器回收。

4、當引用值沒有被其他強引用指向時，軟引用、弱引用和虛引用才會發揮作用，引用物件的存在就是為了方便追蹤並高效垃圾回收。

軟引用、弱引用和虛引用

引用物件的3個重要實現類位於java.lang.ref包下，分別是軟引用SoftReference、弱引用WeakReference和虛引用PhantomReference。

軟引用

軟引用用來描述一些還有用但非必需的物件。對於軟引用關聯著的物件，在系統將要發生丟擲OutOfMemoryError異常之前，將會把這些物件列入回收範圍之內進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的記憶體，才會丟擲OutOfMemoryError異常。在JDK1.2之後，提供了SoftReference類來實現軟引用。

下面是一個使用示例：

JDK文件中提到：軟引用適用於對記憶體敏感的快取：每個快取物件都是通過訪問的 SoftReference，如果JVM決定需要記憶體空間，那麼它將清除回收部分或全部軟引用對應的物件。如果它不需要空間，則SoftReference指示物件保留在堆中，並且可以通過程式程式碼訪問。在這種情況下，當它們被積極使用時，它們被強引用，否則會被軟引用。如果清除了軟引用，則需要重新整理快取。

實際使用上，要除非快取的物件非常大，每個數量級為幾千位元組，才值得考慮使用軟引用物件。例如：實現一個檔案伺服器，它需要定期檢索相同的檔案，或者需要快取大型物件圖。如果物件很小，必須清除很多物件才能產生影響，那麼不建議使用，因為清除軟引用物件會增加整個過程的開銷。

弱引用

弱引用也是用來描述非必需物件，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的物件只能生存到下一次垃圾收集傳送之前。當垃圾收集器工作時，無論當前記憶體是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的物件。

在JDK1.2之後，提供了WeakReference類來實現弱引用。

可以看到被弱引用關聯的物件，在gc之後被回收掉。

有意思的地方是，如果把上面程式碼中的：

改為

程式將輸出

這是因為使用Java的String直接賦值和使用new區別在於：

new 會在堆區建立一個可以被正常回收的物件。

String直接賦值，會在Java StringPool(字串常量池)裡建立一個String物件，存於pergmen(永生代區)中，通常不會被gc回收。

WeakHashMap

為了更方便使用弱引用，Java還提供了WeakHashMap，功能類似HashMap，內部實現是用弱引用對key進行包裝，當某個key物件沒有任何強引用指向，gc會自動回收key和value物件。

程式輸出：

WeakHashMap比較適用於快取的場景，例如Tomcat的快取就用到。

引用佇列

介紹虛引用之前，先介紹引用佇列：

在使用引用物件時，通過判斷get()方法返回的值是否為null來判斷物件是否已經被回收，當這樣做並不是非常高效，特別是當我們有很多引用物件，如果想找出哪些物件已經被回收，需要遍歷所有所有物件。

更好的方案是使用引用佇列，在構造引用物件時與佇列關聯，當gc（垃圾回收執行緒）準備回收一個物件時，如果發現它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該物件之前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯的引用佇列（ReferenceQueue）中。

如果一個軟引用（或弱引用，或虛引用）物件本身在引用佇列中，就說明該引用物件所指向的物件被回收了，所以要找出所有被回收的物件，只需要遍歷引用佇列。

當軟引用（或弱引用，或虛引用）物件所指向的物件被回收了，那麼這個引用物件本身就沒有價值了，如果程式中存在大量的這類物件（注意，我們建立的軟引用、弱引用、虛引用物件本身是個強引用，不會自動被gc回收），就會浪費記憶體。因此我們這就可以手動回收位於引用佇列中的引用物件本身。

程式輸出：

虛引用

虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，不同於軟引用和弱引用，虛引用不用於訪問引用物件所指示的物件，相反，通過不斷輪詢虛引用物件關聯的引用佇列，可以得到物件回收事件。一個物件是否有虛引用的存在，完全不會對其生產時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個物件例項。雖然這看起來毫無意義，但它實際上可以用來做物件回收時資源清理、釋放，它比finalize更靈活，我們可以基於虛引用做更安全可靠的物件關聯的資源回收。

finalize的問題

Java語言規範並不保證finalize方法會被及時地執行、而且根本不會保證它們會被執行

如果可用記憶體沒有被耗盡，垃圾收集器不會執行，finalize方法也不會被執行。

效能問題

JVM通常在單獨的低優先順序執行緒中完成finalize的執行。

物件再生問題

finalize方法中，可將待回收物件賦值給GC Roots可達的物件引用，從而達到物件再生的目的。

針對不靠譜finalize方法，完全可以使用虛引用來實現。在JDK1.2之後，提供了PhantomReference類來實現虛引用。

下面是簡單的使用例子，通過訪問引用佇列可以得到物件的回收事件：

比較常見的，可以基於虛引用實現JDBC連線池，鎖的釋放等場景。

以連線池為例，呼叫方正常情況下使用完連線，需要把連線釋放回池中，但是不可避免有可能程式有bug，造成連線沒有正常釋放回池中。基於虛引用對Connection物件進行包裝，並關聯引用佇列，就可以通過輪詢引用佇列檢查哪些連線物件已經被GC回收，釋放相關連線資源。具體實現已上傳github的caison-blog-demo倉庫。

總結

對比一下幾種引用物件的不同：

虛引用，配合引用佇列使用，通過不斷輪詢引用佇列獲取物件回收事件。

雖然引用物件是一個非常有用的工具來管理你的記憶體消耗，但有時它們是不夠的，或者是過度設計的 。例如，使用一個Map來快取從資料庫中讀取的資料。雖然可以使用弱引用來作為快取，但最終程式需要執行一定量的記憶體。如果不能給它足夠實際足夠的資源完成任何工作，那麼錯誤恢復機制有多強大也沒有用。

當遇到OutOfMemoryError錯誤，第一反應是要弄清楚它為什麼會發生，也許真的是程式有bug，也許是可用記憶體設定的太低。

在開發過程中，應該制定程式具體的使用記憶體大小，而已要關注實際使用中用了多少記憶體。大多數應用程式在實際執行負載下，程式的記憶體佔用會達到穩定狀態，可以用此來作為參考來設定合理的堆大小。如果程式的記憶體使用量隨著時間的推移而上升，很有可能是因為當物件不再使用時仍然擁有對物件的強引用。引用物件在這裡可能會有所幫助，但更有可能是把它當做一個bug來進行修復。

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