Java 中的四种引用-java强引用和弱引用

之前我们提到过 GC，但当 Java 中引用的对象越来越多，会导致内存空间不足，最终会产生错误 OutOfMemoryError，并让应用程序终止。那为什么 GC 在此时不能多收集一些对象呢?这就和今天说的引用类型有关了。

首先，从 JDK1.2 开始，对象的引用被划分为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(Strong Reference)是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那么它永远不会被 GC。例如：

Object strongReference = new Object();

当内存空间不足时，JVM 宁愿抛出OutOfMemoryError，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。

如果强引用对象不使用时，需要弱化从而可以被 GC，例如ArrayList中的clear()方法：

/** 
* Removes all of the elements from this list. The list will 
* be empty after this call returns. 
*/ 
public void clear() { 
modCount++; 
 
// clear to let GC do its work 
for (int i = 0; i < size; i++) 
elementData[i] = null; 
 
size = 0; 
}

显式地设置强引用对象为null，或让其超出对象的生命周期范围，则垃圾回收器认为该对象不存在引用，就会回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于具体的垃圾回收器。

软引用

如果一个对象只具有软引用(Soft Reference)，当内存空间充足时，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。让我们来看一个例子具体了解一下：

String str = new String("abc"); 
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str); 
String result = softReference.get();

让我们来看一下get()：

public T get() { 
T o = super.get(); 
// timestamp代表上一次软引用上一次被使用的时间(初始化、get()) 
// clock代表上一次GC的时间 
if (o != null && this.timestamp != clock) 
this.timestamp = clock; 
return o; 
}

因此，软引用在被垃圾回收时，也遵循LRU法则，优先回收最近最少被使用的对象进行回收。

软引用的使用场景多是内存敏感的高速缓存。具体来说，就是我们希望将数据存放到缓存中，这样可以快速进行读取。但是，当 JVM 中内存不够用时，我们又不希望缓存数据会占用到 JVM 的内存。例如配合ReferenceQueue，如果软引用所引用对象被垃圾回收，JVM 就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中：

ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>(); 
String str = new String("abc"); 
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue); 
 
str = null; 
// Notify GC 
System.gc(); 
 
System.out.println(softReference.get()); // abc 
 
Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll(); 
System.out.println(reference); //null

但是需要注意的是，如果使用软引用缓存，有可能导致Full GC增多。

弱引用

如果一个对象只具有弱引用(Weak Reference)，其生命周期相比于软引用更加短暂。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，都会对它进行回收。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。其使用为：

String str = new String("abc"); 
WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str); 
str = weakReference.get();

讲到弱引用，就不得不提到WeakHashMap。和HashMap相比，当我们给 JVM 分配的内存不足的时候，HashMap 宁可抛出 OutOfMemoryError 异常，也不会回收其相应的没有被引用的对象，而 WeakHashMap 则会回收存储在其中但有被引用的对象。

WeakHashMap 通过将一些没有被引用的键的值赋值为 null ，这样的话就会告知GC去回收这些存储的值了。假如我们特地传入 key 为 null 的键，WeakHashMap 会将键设置为特殊的 Oject，源码为：

public V put(K key, V value) { 
// key会被重新赋值 
Object k = maskNull(key); 
int h = hash(k); 
Entry<K,V>[] tab = getTable(); 
int i = indexFor(h, tab.length); 
 
for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; ee = e.next) { 
if (h == e.hash && eq(k, e.get())) { 
V oldValue = e.value; 
if (value != oldValue) 
e.value = value; 
return oldValue; 
} 
} 
 
modCount++; 
Entry<K,V> e = tab[i]; 
tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e); 
if (++size >= threshold) 
resize(tab.length * 2); 
return null; 
} 
 
/** 
* Value representing null keys inside tables. 
* 特殊的key 
*/ 
private static final Object NULL_KEY = new Object(); 
 
/** 
* Use NULL_KEY for key if it is null. 
*/ 
private static Object maskNull(Object key) { 
return (key == null) ? NULL_KEY : key; 
}

虚引用

虚引用(PhantomReference),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。

例如：

String str = new String("abc"); 
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue(); 
// 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联 
PhantomReference pr = new PhantomReference(str, 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进行垃圾回收。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，也可以理解为一种回调方法。

总结

Java 中4种引用的级别和强度由高到低依次为：强引用 -> 软引用 -> 弱引用 -> 虚引用

通过表格，说明其特性：

Java 中的四种引用