JDK源码分析（8）之 Reference 完全解读
在阅读本文之前最好对 Reference 框架有一个整体的把握，可以参考我上一篇博客 Reference 框架概览 ；本文主要讲了 Reference 的子类实现和应用（SoftReference，WeakReference，PhantomReference）；
Java 引用的强弱关系：StrongReference > SoftReference > WeakReference > PhantomReference
一、StrongReference
强引用：我们通常使用的引用，形如Object o = new Object();
此时从 stack 中的 o，到 heap 中的 Object 就是强引用；其他引用强弱的判定规则，可以查看我上一篇博客 Reference 框架概览 ；
二、SoftReference
软引用：可以用来表示一些有用但非必须的对象；JVM 会根据使用率和剩余堆空间大小来公共决定什么时候回收 SoftReference；JVM 保证在抛出 OOM 之前会再次扫描回收这些软引用，如果回收后内存仍不足才会抛出 OOM；所以在源码的注释中也写了 SoftReference 适合实现内存敏感的缓存；
public class SoftReference<T> extends Reference<T> {
/**
* Timestamp clock, updated by the garbage collector
*/
static private long clock;
/**
* Timestamp updated by each invocation of the get method. The VM may use
* this field when selecting soft references to be cleared, but it is not
* required to do so.
*/
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;
}
}
看上面的代码，SoftReference 与 Reference 相比多了两个时间戳 clock，timestamp，并且会在每次 get的时候更新时间戳；
- clock：这个时间戳是
static修饰的，是所有 SoftReference 共有，由 JVM 维护； - timestamp：主要用于记录当前对象的存活时间；
回收策略
上面提到 SoftReference 的回收是由使用率和剩余堆空间大小来公共决定的，那么它是怎么实现的呢？
openjdk/hotspot/src/share/vm/memory/referencePolicy.cpp
// Capture state (of-the-VM) information needed to evaluate the policy
void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
_max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}
// The oop passed in is the SoftReference object, and not
// the object the SoftReference points to.
bool LRUCurrentHeapPolicy::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;
}
根据上面的代码可以大致知道:
- 首先计算出了最大堆内存和上次 GC 时剩余的内存；
- 再用（剩余内存 / 最大内存 ）* SoftRefLRUPolicyMSPerMB 得出到下次 GC 期间软引用的最大 idle 时间；
- 最后用 clock 和 timestamp 两个时间戳差值得到 SoftReference 的 idle 时间（每次 get 的时候
this.timestamp = clock;，所以get 之后 idle 时间归零），如果大于最大 idle 时间则清除；
我们可以简单测试一下，启动参数：-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2 -Xmx10M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc；
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2：可以参照上面的计算过程调节 SoftReference 的回收频率；-Xmx10M：为最大堆内存，同样可以自行调节，-verbose:gc：打开 GC 日志，-XX:+PrintCommandLineFlags：打印 JVM 启动参数；
private static void test03() throws InterruptedException {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};
Reference softRef = new SoftReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();
o = null;
System.gc();
log.info("o=null, referent:{}", softRef.get());
byte[] bytes = new byte[3 * 1024 * 1024];
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
Thread.sleep(2000);
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
}
private static class Monitor extends Thread {
ReferenceQueue queue;
public Monitor(ReferenceQueue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
log.info("remove reference:{}", queue.remove().toString());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
// 打印：
[main] o=null, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.SoftReference@bcffe9a
根据不同的参数设置会出现不同的情况，大家可以自行调节参数，验证上面的计算规则；另外如果-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0，那么 SoftReference 就应该和 WeakReference 差不多了，至于是否完全一致，就留到以后查看 JVM 的时候再确定了；
三、WeakReference
弱引用：被弱引用关联的对象只能生存到下一次 GC，当 GC 的时候无论内存是否足够，使用是否频繁都会被清除；同样源码注释里面也写了 WeakReference 适合实现 canonicalizing mappings，比如 WeakHashMap；
public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
public WeakReference(T referent) {
super(referent);
}
public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}
}
简单测试，启动参数：-Xmx300M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc；
private static void test04() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};
Reference ref = new WeakReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();
o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}
// 打印：
[main] Before GC, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.WeakReference@67ac4ff0
可以看到在内存足够的时候，referent 被清除，WeakReference 在下次 GC 的时候随机被清除，并且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；
四、PhantomReference
虚引用：最弱的一种引用关系，虚引用对一个对象的生命周期完全没有影响，设置虚引用的唯一目的就是得到 referent 被回收的事件通知；
public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
public T get() {
return null;
}
public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}
}
从源码也能看到 get 的时候，永远返回 null；
同样简单测试一下，
private static void test06() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};
Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();
o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}
// 打印：
[main] Before GC, referent:null
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.PhantomReference@661a5fff
可以看到 PhantomReference.get() 始终为 null，并且当 referent 被回收的时候，并且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；
此外 PhantomReference 和其他引用还有一个很大的不同，在 ReferenceQueue 中 JVM 并不会帮我们把 referent 字段置为空；
private static void test07() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};
Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
new Monitor2(queue).start();
o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}
private static class Monitor2 extends Thread {
ReferenceQueue queue;
public Monitor2(ReferenceQueue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Reference ref = queue.poll();
log.info("remove reference:{}", ref);
if (ref != null) {
Field field = Reference.class.getDeclaredField("referent");
field.setAccessible(true);
log.info("ReferenceQueue get Referent:{}", field.get(ref));
ref.clear();
break;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 打印：
[main] Before GC, referent:null
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.PhantomReference@7b4cba2
[Thread-0] ReferenceQueue get Referent:zhangsan
这里可以看到从 ReferenceQueue 中取出来的 Reference 仍然可以取到引用对象，即 referent；但是在其他引用中打印为 null，这里可以将上面例子中的 Monitor 改为 Monitor2 测试；
Cleaner：
在Reference.tryHandlePending()里面提到的，主要用于替代Object.finalize();
public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {
private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue<>();
static private Cleaner first = null;
private Cleaner
next = null,
prev = null;
private final Runnable thunk;
private Cleaner(Object referent, Runnable thunk) {
super(referent, dummyQueue);
this.thunk = thunk;
}
public static Cleaner create(Object ob, Runnable thunk) {
if (thunk == null)
return null;
return add(new Cleaner(ob, thunk));
}
private static synchronized Cleaner add(Cleaner cl) {
if (first != null) {
cl.next = first;
first.prev = cl;
}
first = cl;
return cl;
}
private static synchronized boolean remove(Cleaner cl) { }
public void clean() {
if (!remove(this))
return;
try {
thunk.run();
} catch (final Throwable x) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
if (System.err != null)
new Error("Cleaner terminated abnormally", x)
.printStackTrace();
System.exit(1);
return null;
}});
}
}
}
从代码可以看到，
- Cleaner 只能通过工厂方法创建，并且所有的 Cleaner 都共同属于同一个 Reference 链表；
- 代码中的
next、prev不同于 Reference 中的 next，他们组成了一个双向链表； - Cleaner 中没有入队操作，在创建之初就已经加入链表了，具体代码可以查看
Reference.tryHandlePending()； - ReferenceQueue（
dummyQueue域）的作用不再是提供入队和事件监听功能，而仅仅是保证 GC 不会自动将 Cleaner 给回收了； - Cleaner 的主要逻辑就是传入一个 clean 线程，在 referent 引用对象清除的时候，执行
clean操作；
总结
- 对于上面讲的软引用、弱引用、虚引用，都有一套共同的事件通知机制，具体逻辑在 Reference 类中；主要的差别在于引用回收条件的判断，这部分代码在 JVM 里面；
- 另外对于 Reference 类还有 FinalReference 没有写，主要用于当类重写
finalize方法时，JVM 会将他包装在 FinalReference 里面，里面的细节比较多，并且一般不建议使用，所以暂时没写； - 此外《Effective Java》第三版的第八条也讲了避免使用finalizer和cleaner；详情可以自行查阅；
参考
http://www.importnew.com/21628.html
https://www.jianshu.com/p/95a4931ebf01
https://juejin.im/post/5bbfee46e51d450e5e0cba2f
