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Java 面试 - 四种引用类型

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

但是需要注意的时，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; e = 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：

引用类型	被垃圾回收的时间	使用场景	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM停止运行时
软引用	内存不足时	对象缓存	内存不足时
弱引用	正常垃圾回收时	对象缓存	垃圾回收后终止
虚引用	正常垃圾回收时	跟踪对象的垃圾回收	垃圾回收后终止