Java中一共有4種引用類型(其實(shí)還有一些其他的引用類型比如FinalReference)：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用。
其中強(qiáng)引用就是我們經(jīng)常使用的Object a = new Object(); 這樣的形式，在Java中并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的Reference類。
本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實(shí)現(xiàn)，這三種引用類型都是繼承于Reference這個(gè)類，主要邏輯也在Reference中。
問(wèn)題
在分析前，先拋幾個(gè)問(wèn)題？
1.網(wǎng)上大多數(shù)文章對(duì)于軟引用的介紹是：在內(nèi)存不足的時(shí)候才會(huì)被回收，那內(nèi)存不足是怎么定義的？什么才叫內(nèi)存不足？
2.網(wǎng)上大多數(shù)文章對(duì)于虛引用的介紹是：形同虛設(shè)，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收器回收的活動(dòng)。真的是這樣嗎？
3.虛引用在Jdk中有哪些場(chǎng)景下用到了呢？
Reference
我們先看下Reference.java中的幾個(gè)字段
public abstract class Reference<T> {
//引用的對(duì)象
private T referent;
//回收隊(duì)列，由使用者在Reference的構(gòu)造函數(shù)中指定
volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
//當(dāng)該引用被加入到queue中的時(shí)候，該字段被設(shè)置為queue中的下一個(gè)元素，以形成鏈表結(jié)構(gòu)
volatile Reference next;
//在GC時(shí)，JVM底層會(huì)維護(hù)一個(gè)叫DiscoveredList的鏈表，存放的是Reference對(duì)象，discovered字段指向的就是鏈表中的下一個(gè)元素，由JVM設(shè)置
transient private Reference<T> discovered;
//進(jìn)行線程同步的鎖對(duì)象
static private class Lock { }
private static Lock lock = new Lock();
//等待加入queue的Reference對(duì)象，在GC時(shí)由JVM設(shè)置，會(huì)有一個(gè)java層的線程(ReferenceHandler)源源不斷的從pending中提取元素加入到queue
private static Reference<Object> pending = null;
}
一個(gè)Reference對(duì)象的生命周期如下：
主要分為Native層和Java層兩個(gè)部分。
Native層在GC時(shí)將需要被回收的Reference對(duì)象加入到DiscoveredList中（代碼在referenceProcessor.cpp中process_discovered_references方法），然后將DiscoveredList的元素移動(dòng)到PendingList中（代碼在referenceProcessor.cpp中enqueue_discovered_ref_helper方法）,PendingList的隊(duì)首就是Reference類中的pending對(duì)象。
看看Java層的代碼
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對(duì)象，則記錄下來(lái)，下面做特殊處理
c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
//指向PendingList的下一個(gè)對(duì)象
pending = r.discovered;
r.discovered = null;
} else {
//如果pending為null就先等待，當(dāng)有對(duì)象加入到PendingList中時(shí)，jvm會(huì)執(zhí)行notify
if (waitForNotify) {
lock.wait();
}
// retry if waited
return waitForNotify;
}
}
}
...
// 如果時(shí)CLeaner對(duì)象，則調(diào)用clean方法進(jìn)行資源回收
if (c != null) {
c.clean();
return true;
}
//將Reference加入到ReferenceQueue，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)從ReferenceQueue中poll元素感知到對(duì)象被回收的事件。
ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
return true;
}
流程比較簡(jiǎn)單：就是源源不斷的從PendingList中提取出元素，然后將其加入到ReferenceQueue中去，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)從ReferenceQueue中poll元素感知到對(duì)象被回收的事件。
另外需要注意的是，對(duì)于Cleaner類型（繼承自虛引用）的對(duì)象會(huì)有額外的處理：在其指向的對(duì)象被回收時(shí)，會(huì)調(diào)用clean方法，該方法主要是用來(lái)做對(duì)應(yīng)的資源回收，在堆外內(nèi)存DirectByteBuffer中就是用Cleaner進(jìn)行堆外內(nèi)存的回收，這也是虛引用在java中的典型應(yīng)用。
看完了Reference的實(shí)現(xiàn)，再看看幾個(gè)實(shí)現(xiàn)類里，各自有什么不同。
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;
}
}
軟引用的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，就多了兩個(gè)字段：clock和timestamp。clock是個(gè)靜態(tài)變量，每次GC時(shí)都會(huì)將該字段設(shè)置成當(dāng)前時(shí)間。timestamp字段則會(huì)在每次調(diào)用get方法時(shí)將其賦值為clock（如果不相等且對(duì)象沒(méi)被回收）。
那這兩個(gè)字段的作用是什么呢？這和軟引用在內(nèi)存不夠的時(shí)候才被回收，又有什么關(guān)系呢？
這些還得看JVM的源碼才行，因?yàn)闆Q定對(duì)象是否需要被回收都是在GC中實(shí)現(xiàn)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(guò)的DiscoveredList嗎?refs_lists就是DiscoveredList。
//對(duì)于DiscoveredList的處理分為幾個(gè)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(dāng)內(nèi)存足夠時(shí)，將對(duì)應(yīng)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 */));
//判斷引用的對(duì)象是否存活
bool referent_is_dead = (iter.referent() != NULL) && !iter.is_referent_alive();
//如果引用的對(duì)象已經(jīng)不存活了，則會(huì)去調(diào)用對(duì)應(yīng)的ReferencePolicy判斷該對(duì)象是不時(shí)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();
}
}
...
}
refs_lists中存放了本次GC發(fā)現(xiàn)的某種引用類型（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對(duì)象從refs_lists移除掉，refs_lists最后剩下的元素全是需要被回收的元素，最后會(huì)將其第一個(gè)元素賦值給上文提到過(guò)的Reference.java#pending字段。
ReferencePolicy一共有4種實(shí)現(xiàn)：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。
其中NeverClearPolicy永遠(yuǎn)返回false，代表永遠(yuǎn)不回收SoftReference，在JVM中該類沒(méi)有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠(yuǎn)返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以設(shè)置policy為AlwaysClearPolicy，至于什么時(shí)候會(huì)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;
}
timestamp_clock就是SoftReference的靜態(tài)字段clock，java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)對(duì)應(yīng)是字段timestamp。如果上次GC后有調(diào)用SoftReference#get，interval值為0，否則為若干次GC之間的時(shí)間差。
_max_interval則代表了一個(gè)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");
}
其中SoftRefLRUPolicyMSPerMB默認(rèn)為1000，前者的計(jì)算方法和上次GC后可用堆大小有關(guān)，后者計(jì)算方法和（堆大小-上次gc時(shí)堆使用大?。┯嘘P(guān)。
看到這里你就知道SoftReference到底什么時(shí)候被被回收了，它和使用的策略（默認(rèn)應(yīng)該是LRUCurrentHeapPolicy），堆可用大小，該SoftReference上一次調(diào)用get方法的時(shí)間都有關(guān)系。
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);
}
}
可以看到WeakReference在Java層只是繼承了Reference，沒(méi)有做任何的改動(dòng)。那referent字段是什么時(shí)候被置為null的呢？要搞清楚這個(gè)問(wèn)題我們?cè)倏聪律衔奶岬竭^(guò)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(shí)候，這里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?qū)ο筮€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(jù)clear_referent的值決定是否將不存活對(duì)象回收
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字段置為null，之后會(huì)被GC回收
iter.clear_referent();
} else {
// keep the referent around
//標(biāo)記引用的對(duì)象為存活，該對(duì)象在這次GC將不會(huì)被回收
iter.make_referent_alive();
}
...
}
...
}
不管是弱引用還是其他引用類型，將字段referent置null的操作都發(fā)生在process_phase3中，而具體行為是由clear_referent的值決定的。而clear_referent的值則和引用類型相關(guān)。
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(gè)字段就是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);
}
...
}
可以看到，對(duì)于Soft references和Weak references clear_referent字段傳入的都是true，這也符合我們的預(yù)期：對(duì)象不可達(dá)后，引用字段就會(huì)被置為null，然后對(duì)象就會(huì)被回收（對(duì)于軟引用來(lái)說(shuō)，如果內(nèi)存足夠的話，在Phase 1，相關(guān)的引用就會(huì)從refs_list中被移除，到Phase 3時(shí)refs_list為空集合）。
但對(duì)于Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的是false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對(duì)象，如果沒(méi)有其他額外處理，只要Reference對(duì)象還存活，那引用的對(duì)象是不會(huì)被回收的。Final references和對(duì)象是否重寫(xiě)了finalize方法有關(guān)，不在本文分析范圍之內(nèi)，我們接下來(lái)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);
}
}
可以看到虛引用的get方法永遠(yuǎn)返回null，我們看個(gè)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();
//這里拿到的是null
System.out.println(objg);
//讓obj變成垃圾
obj=null;
System.gc();
Thread.sleep(3000);
//gc后會(huì)將phanRef加入到refQueue中
Reference<? extends Object> phanRefP = refQueue.remove();
//這里輸出true
System.out.println(phanRefP==phanRef);
}
從以上代碼中可以看到，虛引用能夠在指向?qū)ο蟛豢蛇_(dá)時(shí)得到一個(gè)'通知'（其實(shí)所有繼承References的類都有這個(gè)功能），需要注意的是GC完成后，phanRef.referent依然指向之前創(chuàng)建Object，也就是說(shuō)Object對(duì)象一直沒(méi)被回收！
而造成這一現(xiàn)象的原因在上一小節(jié)末尾已經(jīng)說(shuō)了：對(duì)于Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的時(shí)false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對(duì)象，如果沒(méi)有其他額外處理，在GC中是不會(huì)被回收的。
對(duì)于虛引用來(lái)說(shuō)，從refQueue.remove();得到引用對(duì)象后，可以調(diào)用clear方法強(qiáng)行解除引用和對(duì)象之間的關(guān)系，使得對(duì)象下次可以GC時(shí)可以被回收掉。
End
針對(duì)文章開(kāi)頭提出的幾個(gè)問(wèn)題，看完分析，我們已經(jīng)能給出回答：
1.我們經(jīng)常在網(wǎng)上看到軟引用的介紹是：在內(nèi)存不足的時(shí)候才會(huì)回收，那內(nèi)存不足是怎么定義的？為什么才叫內(nèi)存不足？
軟引用會(huì)在內(nèi)存不足時(shí)被回收，內(nèi)存不足的定義和該引用對(duì)象get的時(shí)間以及當(dāng)前堆可用內(nèi)存大小都有關(guān)系，計(jì)算公式在上文中也已經(jīng)給出。
2.網(wǎng)上對(duì)于虛引用的介紹是：形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收器回收的活動(dòng)。真的是這樣嗎？
嚴(yán)格的說(shuō)，虛引用是會(huì)影響對(duì)象生命周期的，如果不做任何處理，只要虛引用不被回收，那其引用的對(duì)象永遠(yuǎn)不會(huì)被回收。所以一般來(lái)說(shuō)，從ReferenceQueue中獲得PhantomReference對(duì)象后，如果PhantomReference對(duì)象不會(huì)被回收的話（比如被其他GC ROOT可達(dá)的對(duì)象引用），需要調(diào)用clear方法解除PhantomReference和其引用對(duì)象的引用關(guān)系。
3.虛引用在Jdk中有哪些場(chǎng)景下用到了呢？
DirectByteBuffer中是用虛引用的子類Cleaner.java來(lái)實(shí)現(xiàn)堆外內(nèi)存回收的，后續(xù)會(huì)寫(xiě)篇文章來(lái)說(shuō)說(shuō)堆外內(nèi)存的里里外外。
寫(xiě)在最后
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