在 Java 语言中,除了原始数据类型的变量,其他所有都是所谓的引用类型,指向各种不同的对象,理解引用对于掌握 Java 对象生命周期和 JVM 内部相关机制非常有帮助。
本篇博文的重点是,强引用、软引用、弱引用、幻象引用有什么区别?具体使用场景是什么?
不同的引用类型,主要体现的是对象不同的可达性(reachable)状态和对垃圾收集的影响。
强引用(“Strong” Reference),就是我们最常见的普通对象引用,只要还有强引用指向一个对象,就能表明对象还“活着”,垃圾收集器不会碰这种对象。对于一个普通的对象,如果没有其他的引用关系,只要超过了引用的作用域或者显式地将相应(强)引用赋值为 null,就是可以被垃圾收集的了,当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。
软引用(SoftReference),是一种相对强引用弱化一些的引用,可以让对象豁免一些垃圾收集,只有当 JVM 认为内存不足时,才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前,清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存,如果还有空闲内存,就可以暂时保留缓存,当内存不足时清理掉,这样就保证了使用缓存的同时,不会耗尽内存。
弱引用(WeakReference)并不能使对象豁免垃圾收集,仅仅是提供一种访问在弱引用状态下对象的途径。这就可以用来构建一种没有特定约束的关系,比如,维护一种非强制性的映射关系,如果试图获取时对象还在,就使用它,否则重现实例化。它同样是很多缓存实现的选择。
幻象引用,有时候也翻译成虚引用,你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后,做某些事情的机制,比如,通常用来做所谓的 Post-Mortem 清理机制,也有人利用幻象引用监控对象的创建和销毁。
判断对象可达性,是 JVM 垃圾收集器决定如何处理对象的一部分考虑。
所有引用类型,都是抽象类 java.lang.ref.Reference 的子类,你可能注意到它提供了 get() 方法:
除了幻象引用(因为 get 永远返回 null),如果对象还没有被销毁,都可以通过 get 方法获取原有对象。这意味着,利用软引用和弱引用,我们可以将访问到的对象,重新指向强引用,也就是人为的改变了对象的可达性状态!
所以,对于软引用、弱引用之类,垃圾收集器可能会存在二次确认的问题,以保证处于弱引用状态的对象,没有改变为强引用。
但是,你觉得这里有没有可能出现什么问题呢?
不错,如果我们错误的保持了强引用(比如,赋值给了 static 变量),那么对象可能就没有机会变回类似弱引用的可达性状态了,就会产生内存泄漏。所以,检查弱引用指向对象是否被垃圾收集,也是诊断是否有特定内存泄漏的一个思路,如果我们的框架使用到弱引用又怀疑有内存泄漏,就可以从这个角度检查。
谈到各种引用的编程,就必然要提到引用队列。我们在创建各种引用并关联到相应对象时,可以选择是否需要关联引用队列,JVM 会在特定时机将引用 enqueue 到队列里,我们可以从队列里获取引用(remove 方法在这里实际是有获取的意思)进行相关后续逻辑。尤其是幻象引用,get 方法只返回 null,如果再不指定引用队列,基本就没有意义了。看看下面的示例代码。利用引用队列,我们可以在对象处于相应状态时(对于幻象引用,就是前面说的被 finalize 了,处于幻象可达状态),执行后期处理逻辑。
- Object counter = new Object();
- ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue<>();
- PhantomReference<Object> p = new PhantomReference<>(counter, refQueue);
- counter = null;
- System.gc();
- try {
- // Remove是一个阻塞方法,可以指定timeout,或者选择一直阻塞
- Reference<Object> ref = refQueue.remove(1000L);
- if (ref != null) {
- // do something
- }
- } catch (InterruptedException e) {
- // Handle it
- }
-
前面泛泛提到了引用对垃圾收集的影响,尤其是软引用,到底 JVM 内部是怎么处理它的,其实并不是非常明确。那么我们能不能使用什么方法来影响软引用的垃圾收集呢?
答案是有的。软引用通常会在最后一次引用后,还能保持一段时间,默认值是根据堆剩余空间计算的(以 M bytes 为单位)。从 Java 1.3.1 开始,提供了 -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB
参数,我们可以以毫秒(milliseconds)为单位设置。比如,下面这个示例就是设置为 3 秒(3000 毫秒)。
- -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=3000
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这个剩余空间,其实会受不同 JVM 模式影响,对于 Client 模式,比如通常的 Windows 32 bit JDK,剩余空间是计算当前堆里空闲的大小,所以更加倾向于回收;而对于 server 模式 JVM,则是根据 -Xmx 指定的最大值来计算。
本质上,这个行为还是个黑盒,取决于 JVM 实现,即使是上面提到的参数,在新版的 JDK 上也未必有效,另外 Client 模式的 JDK 已经逐步退出历史舞台。所以在我们应用时,可以参考类似设置,但不要过于依赖它。
如果你怀疑应用存在引用(或 finalize)导致的回收问题,可以有很多工具或者选项可供选择,比如 HotSpot JVM 自身便提供了明确的选项(PrintReferenceGC)去获取相关信息,我指定了下面选项去使用 JDK 8 运行一个样例应用:
- -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintReferenceGC
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这是 JDK 8 使用 ParrallelGC 收集的垃圾收集日志,各种引用数量非常清晰。
- 0.403: [GC (Allocation Failure) 0.871: [SoftReference, 0 refs, 0.0000393 secs]0.871: [WeakReference, 8 refs, 0.0000138 secs]0.871: [FinalReference, 4 refs, 0.0000094 secs]0.871: [PhantomReference, 0 refs, 0 refs, 0.0000085 secs]0.871: [JNI Weak Reference, 0.0000071 secs][PSYoungGen: 76272K->10720K(141824K)] 128286K->128422K(316928K), 0.4683919 secs] [Times: user=1.17 sys=0.03, real=0.47 secs]
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注意:JDK 9 对 JVM 和垃圾收集日志进行了广泛的重构,类似 PrintGCTimeStamps 和 PrintReferenceGC 已经不再存在,我在专栏后面的垃圾收集主题里会更加系统的阐述。
除了我前面介绍的几种基本引用类型,我们也可以通过底层 API 来达到强引用的效果,这就是所谓的设置 reachability fence。
为什么需要这种机制呢?考虑一下这样的场景,按照 Java 语言规范,如果一个对象没有指向强引用,就符合垃圾收集的标准,有些时候,对象本身并没有强引用,但是也许它的部分属性还在被使用,这样就导致诡异的问题,所以我们需要一个方法,在没有强引用情况下,通知 JVM 对象是在被使用的。说起来有点绕,我们来看看 Java 9 中提供的案例。
- class Resource {
- private static ExternalResource[] externalResourceArray = ...
- int myIndex; Resource(...) {
- myIndex = ...
- externalResourceArray[myIndex] = ...;
- ...
- }
- protected void finalize() {
- externalResourceArray[myIndex] = null;
- ...
- }
- public void action() {
- try {
- // 需要被保护的代码
- int i = myIndex;
- Resource.update(externalResourceArray[i]);
- } finally {
- // 调用reachbilityFence,明确保障对象strongly reachable
- Reference.reachabilityFence(this);
- }
- }
- private static void update(ExternalResource ext) {
- ext.status = ...;
- }
- }
-
方法 action 的执行,依赖于对象的部分属性,所以被特定保护了起来。否则,如果我们在代码中像下面这样调用,那么就可能会出现困扰,因为没有强引用指向我们创建出来的 Resource 对象,JVM 对它进行 finalize 操作是完全合法的。
- new Resource().action()
-
类似的书写结构,在异步编程中似乎是很普遍的,因为异步编程中往往不会用传统的“执行 -> 返回 -> 使用”的结构。
在 Java 9 之前,实现类似功能相对比较繁琐,有的时候需要采取一些比较隐晦的小技巧。幸好,java.lang.ref.Reference 给我们提供了新方法,它是 JEP 193: Variable Handles 的一部分,将 Java 平台底层的一些能力暴露出来:
- static void reachabilityFence(Object ref)
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在 JDK 源码中,reachabilityFence 大多使用在 Executors 或者类似新的 HTTP/2 客户端代码中,大部分都是异步调用的情况。编程中,可以按照上面这个例子,将需要 reachability 保障的代码段利用 try-finally 包围起来,在 finally 里明确声明对象强可达。
以上就是 【JAVA】# 强引用、软引用、弱引用、幻象引用有什么区别? 的所有内容了;
总结了 Java 语言提供的几种引用类型、相应可达状态以及对于 JVM 工作的意义,并分析了引用队列使用的一些实际情况,最后介绍了在新的编程模式下,如何利用 API 去保障对象不被意外回收,希望对你有所帮助。