一文带你读懂Java的强引用、软引用、弱引用、虚引用

后台技术汇

发布于 2022-05-28 12:07:01

4310

发布于 2022-05-28 12:07:01

文章被收录于专栏：后台技术汇

开讲前，我们先回顾下JVM的基本结构。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

程序计数器（Program Counter Register）：当前线程执行的字节码指示器
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：Java方法执行的内存模型，每个方法会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
本地方法栈（Native Method Stack）：（虚拟机使用到的）本地方法执行的内存模型。
Java堆（Java Heap）：虚拟机启动时创建的内存区域，唯一目的是存放对象实例，处于逻辑连续但物理不连续内存空间中。
方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）：方法区的一部分，存放编译器生成的各种字面值和符号引用。

图1 java 虚拟机运行时数据区

本文即将介绍到的：Java的强引用、软引用、弱引用、虚引用，都与JVM的GC有着莫大的关系。

我们都知道，常用的GC回收关注的JVM区域为是Java堆（包含了方法区{外界也称为“常量池”}），而我们的引用（无论是强/软/弱/虚）都是指向于堆的某一块内存区域。Java堆与方法区，只有在程序运行期间才知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的。

主流商用程序语言的主流实现中，都是通过可达性分析（Reachability Analysis）来判定对象是否存活。

可达性算法基本思路是：通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜素走过的路径称为“Reference Chain”（引用链），当下一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明该对象不可用。

图2 可达性分析算法判断对象是否存活

进入今天的主题：再谈引用是什么。无论是何种GC回收算法，判断对象的存活都与“引用”有关。在SDK1.2之前，Java对引用定义很传统：如果reference类型的数据存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称为“这块内存代表着一个引用”。

这种定义比较虽纯粹但狭隘，对于如何描述一类“食之无味，弃之可惜”的对象显得无能为力。我们后来希望描述一类对象：当内存空间足够时，能够保留在内存之中；如果内存空间在GC回收后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。

于是，在JDK1.2之后，Java对引用概念进行了扩充，把引用分类为：强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4种，它们的引用强度一次逐渐减弱。

强引用（Strong Reference）

在程序代码中普遍存在的，类似下面这类的引用，只要强引用存在，那么GC Collector就永远不会回收掉被引用的对象。

Object obj = new Object();

例子

/**
 * <p>
 *     强引用：当对象指向内存为空不关联时，才会被GC回收，否则永远不会回收。
 * </p>
 */

public class ObjectReference {
  public static void main(String[] args) {
    String str = "StrongReference";
    System.out.println(str);
    System.gc();
    System.out.println(str);
    str = null;
    System.out.println(str);
  }
}

输出

StrongReference
StrongReference
null

软引用（Soft Reference）

描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统即将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。JDK1.2之后，提供了 SoftReference类实现软引用。

例子（加入虚拟机启动参数：-Xms10m -Xmx40m，表示JVM最大堆内存为12M）



/**
 * <p>
 *     软引用：当内存不足时，才会触发JVM进行GC回收。
 *       适合做缓存。
 * </p>
 */
public class SoftReferenceObject1 {

  public static void main(String[] args) {
    softRefenceTest();
  }
  /**
   *  仅仅gc， 还不会回收。需内存不够 GC的时候才回收软引用。
   * 启动参数：
   * -Xmx16m  -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:NewSize=2m -XX:MaxNewSize=2m
   */
  private static void softRefenceTest() {
    final int _8M = 8 * 1024 * 1024;
    List<SoftReference> list = new ArrayList<SoftReference>();
    System.out.println("add 8m  -1");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.out.println("add 8m  -2");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.out.println("add 8m  -3");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.out.println("add 8m  -4");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.out.println("add 8m  -5");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.out.println("add 8m  -6");
    list.add(new SoftReference(new byte[_8M]));
    System.gc();
    list.stream().forEach(r-> System.out.println(r.get()));
   }
}

输出

add 8m  -1
add 8m  -2
add 8m  -3
add 8m  -4
add 8m  -5
add 8m  -6
null
null
null
[B@5f4da5c3
[B@443b7951
[B@14514713

解析

启动程序时，设置堆内存最大为40M；（-Xms10m -Xmx40m）
而后程序依次申请分配8M的数组连续存储空间，
经过6次创建对象操作，在5次时，已经达到堆内存上限40M了，因此触发了JVM的GC回收，
导致此前4次创建的软引用所指向的堆内存对象被全部回收；
然后第5/6次创建的对象依旧能够创建完成，
因为此时内存共耗损16M，还没达到内存上限，因此软引用的对象可以继续存活。

弱引用（Weak Reference）

描述非必需对象，但他的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次GC发生之前。当GC发生时，无论内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。JDK1.2之后，提供了 WeakReference类实现软引用。

例子

/**
 * <p>
 *     弱引用：无论内存是否足够，都会被GC回收
 * </p>
 */

public class WeakReferenceObject {
  public static void main(String[] args) {
    WeakReference weakReference = new WeakReference(new long[1024*1024]);
    System.out.println(weakReference.get());
    System.gc();
    System.out.println(weakReference.get());
  }
}

输出

[J@312b1dae
null

虚引用（Phantom Reference）

幽灵引用或幻影引用，是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的，就是能够在这个对象被GC回收时，收到一个系统通知。JDK1.2之后，提供了 PhantomReference类实现软引用。

例子

/**
 * <p>
 *     虚引用/幻影引用：
 *       1）无法通过虚引用获取对一个对象的真实引用
 *       2）虚引用必须通过与 PhantomReference 组合一起使用。当GC  回收一个对象，发现它还有虚引用，就会在回收前把这个引用加到与之关联的ReferenceQueue中
 *         NIO运用到它管理堆外存。
 * </p>
 */

public class ReferenceQueueObject {
  public static void main(String[] args) {
    ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
    PhantomReference<byte[]> reference = new PhantomReference<byte[]>(new byte[1], referenceQueue);
    System.out.println(reference.get());
  }
}