剖析 JDK：强引用、软引用、弱引用、虚引用有何区别？ - 文章 - 开发者社区

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1 写在开头

1.1 JVM 内存模型

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）》。

JVM 的内存管理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。

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1.2 可达性算法

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。

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2 Java 对象引用是什么

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”。

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 种引用类型，它们的引用强度逐渐减弱。

3 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();

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例子 1


/** * <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);  }}

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输出

StrongReferenceStrongReferencenull

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4 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 2（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()));   }}

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输出


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

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代码解析

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。

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5 弱引用（Weak Reference）

弱引用：用于描述非必需对象，但它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 3


/** * <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());  }}

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输出


[J@312b1daenull

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我们开发中有个常见的缓存泄漏原因：一旦将对象引用放到缓存中，它很容易被遗忘掉，从而使得它不再有用并长期停留在缓存。

****解决方法： 使用 WeakHashMap 代表缓存，当缓存过期后会被自动删除，。 参考《弱引用是什么》

下面是节选部分 WeakHashMap 的源码：元素队列的每个 Entry 元素，继承于 WeakReference。

    /**     * Reference queue for cleared WeakEntries     */    private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
    /**     * The entries in this hash table extend WeakReference, using its main ref     * field as the key.     */    private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {        V value;        final int hash;        Entry<K,V> next;		}

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6 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 4


/** * <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());  }}

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输出

null

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7 总结

我们用一张图来总结 Java 引用类型的使用场景与特征，学会准确使用 Java 的引用，将能给代码的性能带来很大的提升。以上便是这次分享的全部内容了。

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