Java中的四种引用类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用

摘要：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联合使用。

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在Java中是由JVM负责内存的分配和回收，这是它的优点（简化编程者的工作，不需要像C语言那样去手动操作内存），但同时也是它的缺点（不够灵活，垃圾回收对于编程者来说是不可控的）。

在JDK1.2以前，如果一个对象不被任何变量引用，则程序无法再次使用这个对象，这个对象最终会被GC（GabageCollection：垃圾回收）。但是如果之后可能还会用到这个对象，就只能去新建一个了，这其实就降低了JVM性能，没有达到最大的优化策略。

因此，从JDK1.2开始，提供了四种类型的引用：强引用（StrongReference）、软引用（SoftReference）、弱引用（WeakReference）和虚引用（PhantomReference）。主要有两个目的：

可以在代码中决定某些对象的生命周期；

优化JVM的垃圾回收机制。

什么是 GC（GabageCollection）？
GC通常是运行在一个独立的、优先级比较低的线程中，实时监测并释放“无效”的内存。

什么是“无效"的内存单元？
一般GC采用引用计数法来判断一个内存单元（一个变量）是否是无效的内存。
引用计数法（引用计数法只是GC中一种常用的方法，还会用到年代方法等）是指一个变量或一块内存当前被引用的次数，如果引用次数为0，则表示这个变量或这块内存未被引用，因此GC“有可能”去释放它 ，为什么说有可能？首先GC运行在一个独立的、优先级比较低的线程中，其次GC回收的具体工作也是比较复杂的，比如说需要释放大量内存的时候，而CPU资源又相对紧张，GC可能会选择性地释放一些内存资源，具体回收方法取决于GC内部的算法。

强引用是最普遍的引用，如果一个对象具有强引用，垃圾回收器不会回收该对象，当内存空间不足时，JVM 宁愿抛出 OutOfMemoryError异常；只有当这个对象没有被引用时，才有可能会被回收。

package com.lzumetal.jvmtest;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StrongReferenceTest {

    static class BigObject {
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];
    }


    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            BigObject obj = new BigObject();
            list.add(obj);
        }
    }
}

BigObject obj = new BigObject()创建的这个对象时就是强引用，上面的main方法最终将抛出OOM异常：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest$BigObject.(StrongReferenceTest.java:9)
    at com.lzumetal.jvm.StrongReferenceTest.main(StrongReferenceTest.java:16)

如果一个对象只具有软引用，则

当内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它。

当内存空间不足了，就会回收该对象。
JVM会优先回收长时间闲置不用的软引用的对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软引用对象会尽可能保留。

如果回收完还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，适合用来实现缓存(比如浏览器的‘后退’按钮使用的缓存)，内存空间充足的时候将数据缓存在内存中，如果空间不足了就将其回收掉。

软引用在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示。为了方便测试，在下面这个示例中我设置了JVM的内存为8M，在IDEA的Run——>EditConfigiratons中设置参数：-Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails

代码：

package com.lzumetal.jvmtest;

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftReferenceTest {

    static class Person {

        private String name;
        private Byte[] bytes = new Byte[1024 * 1024];

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("张三");
        SoftReference softReference = new SoftReference<>(person);
        
        person = null;  //去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了     

        System.gc();
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());
    }
}

运行main方法，控制台输出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->748K(7680K), 0.0118019 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1005K->496K(2048K)] 5346K->4868K(7680K), 0.0025626 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 496K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4372K->4773K(5632K)] 4868K->4773K(7680K), [Metaspace: 3466K->3466K(1056768K)], 0.0083134 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->com.lzumetal.jvmtest.SoftReferenceTest$Person@6d6f6e28
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4773K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca9498,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3474K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

虽然调用System.gc()后JVM并不一定会立刻进行GC操作，但从上面这段输出可以看到JVM确实进行了GC，但是软引用的对象并没有被回收掉，说明现在内存空间还足够，JVM暂时还不会回收软引用的对象。

把main方法改成如下：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("张三");
        SoftReference softReference = new SoftReference<>(person);

        person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

        Person anotherPerson = new Person("李四");
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());
    }

因为这里JVM内存只有8M，没有足够的空间同时保留两个Person对象（我已经测试过了：new两个强引用的Person对象就会报OOM），所以当我再new Person("李四")时，也是会触发JVM的GC的，同时因为前面的new Person("张三")只有软引用了，它会被回收掉。

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->664K(7680K), 0.0009884 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1006K->504K(2048K)] 5262K->4848K(7680K), 0.0077414 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4848K->4872K(7680K), 0.0017661 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4368K->4773K(5632K)] 4872K->4773K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0201011 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.02 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4773K->4773K(7680K), 0.0039905 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4773K->659K(5632K)] 4773K->659K(7680K), [Metaspace: 3465K->3465K(1056768K)], 0.0103549 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->null
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4c80,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3473K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

SoftReference对象是用来保存软引用，但它同时也是一个Java对象。所以，当软可及对象被回收之后，虽然这个SoftReference对象的get()方法返回null，但SoftReference对象本身并不是null，而此时这个SoftReference对象已经不再具有存在的价值，需要一个适当的清除机制，避免大量SoftReference对象带来的内存泄漏。

在java.lang.ref包里还提供了ReferenceQueue。如果在创建SoftReference对象的时候，使用了一个ReferenceQueue对象作为参数提供给SoftReference的构造方法，如:

    Person person = new Person("张三");
    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
    SoftReference softReference = new SoftReference(person, queue);

在SoftReference所软引用的Person对象被垃圾回收时，JVM会先将softReference对象添加到ReferenceQueue这个队列中。当我们调用ReferenceQueue的poll()方法，如果这个队列中不是空队列，那么将返回并移除前面添加的那个Reference对象。
还是上面的那个例子，测试代码：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("张三");
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
        SoftReference softReference = new SoftReference(person, queue);

        person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

        Person anotherPerson = new Person("李四");
        Thread.sleep(1000);

        System.err.println("软引用的对象 ------->" + softReference.get());

        Reference softPollRef = queue.poll();
        if (softPollRef != null) {
            System.err.println("SoftReference对象中保存的软引用对象已经被GC，准备清理SoftReference对象");
            //清理softReference
        }
    }

控制台输出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1536K->504K(2048K)] 1536K->728K(7680K), 0.0022378 secs] [Times: user=0.03 sys=0.05, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1036K->504K(2048K)] 5356K->4840K(7680K), 0.0027540 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->504K(2048K)] 4840K->4840K(7680K), 0.0048557 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4336K->4774K(5632K)] 4840K->4774K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0087802 secs] [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 4774K->4774K(7680K), 0.0005462 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 4774K->659K(5632K)] 4774K->659K(7680K), [Metaspace: 3468K->3468K(1056768K)], 0.0104794 secs] [Times: user=0.05 sys=0.02, real=0.01 secs] 
软引用的对象 ------->null
SoftReference对象中保存的软引用对象已经被GC，准备清理SoftReference对象
Heap
 PSYoungGen      total 2048K, used 45K [0x00000000ffd80000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 1536K, 2% used [0x00000000ffd80000,0x00000000ffd8b7b8,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 5632K, used 4755K [0x00000000ff800000, 0x00000000ffd80000, 0x00000000ffd80000)
  object space 5632K, 84% used [0x00000000ff800000,0x00000000ffca4d70,0x00000000ffd80000)
 Metaspace       used 3476K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 382K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期，它只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾回收器扫描到只具有弱引用的对象时，无论当前内存空间是否足够，都会回收它。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。

弱引用也可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用。

使用场景：一个对象只是偶尔使用，希望在使用时能随时获取，但也不想影响对该对象的垃圾收集，则可以考虑使用弱引用来指向该对象。

参考上面的代码示例，测试弱引用：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person("张三");
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
        WeakReference weakReference = new WeakReference(person, queue);

        person = null;//去掉强引用，new Person("张三")的这个对象就只有软引用了

        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.err.println("弱引用的对象 ------->" + weakReference.get());

        Reference weakPollRef = queue.poll();   //poll()方法是有延迟的
        if (weakPollRef != null) {
            System.err.println("WeakReference对象中保存的弱引用对象已经被GC，下一步需要清理该Reference对象");
            //清理softReference
        } else {
            System.err.println("WeakReference对象中保存的软引用对象还没有被GC，或者被GC了但是获得对列中的引用对象出现延迟");
        }
    }

与其他三种引用都不同，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。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。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。

Object object = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, 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被垃圾回收。程序如果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。

在实际程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

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