Java最初只有普通的强引用,只有对象存在引用,则对象就不会被回收,即使内存不足,也是如此,JVM会爆出OOME,也不会去回收存在引用的对象。

如果只提供强引用,我们就很难写出“这个对象不是很重要,如果内存不足GC回收掉也是可以的”这种语义的代码。Java在1.2版本中完善了引用体系,提供了4中引用类型:强引用,软引用,弱引用,虚引用。使用这些引用类型,我们不但可以控制垃圾回收器对对象的回收策略,同时还能在对象被回收后得到通知,进行相应的后续操作。

引用与可达性分类

Java目前有4中引用类型:

  1. 强引用(Strong Reference):普通的的引用类型,new一个对象默认得到的引用就是强引用,只要对象存在强引用,就不会被GC。
  2. 软引用(Soft Reference):相对较弱的引用,垃圾回收器会在内存不足时回收弱引用指向的对象。JVM会在抛出OOME前清理所有弱引用指向的对象,如果清理完还是内存不足,才会抛出OOME。所以软引用一般用于实现内存敏感缓存。
  3. 弱引用(Weak Reference):更弱的引用类型,垃圾回收器在GC时会回收此对象,也可以用于实现缓存,比如JDK提供的WeakHashMap。
  4. 虚引用(Phantom Reference):一种特殊的引用类型,不能通过虚引用获取到关联对象,只是用于获取对象被回收的通知。

相较于传统的引用计数算法,Java使用可达性分析来判断一个对象是否存活。其基本思路是从GC Root开始向下搜索,如果对象与GC Root之间存在引用链,则对象是可达的。对象的可达性与引用类型密切相关。Java有5中类型的可达性:

  1. 强可达(Strongly Reachable):如果线程能通过强引用访问到对象,那么这个对象就是强可达的。
  2. 软可达(Soft Reachable):如果一个对象不是强可达的,但是可以通过软引用访问到,那么这个对象就是软可达的
  3. 弱可达(Weak Reachable):如果一个对象不是强可达或者软可达的,但是可以通过弱引用访问到,那么这个对象就是弱可达的。
  4. 虚可达(Phantom Reachable):如果一个对象不是强可达,软可达或者弱可达,并且这个对象已经finalize过了,并且有虚引用指向该对象,那么这个对象就是虚可达的。
  5. 不可达(Unreachable):如果对象不能通过上述的几种方式访问到,则对象是不可达的,可以被回收。

对象的引用类型与可达性听着有点乱,好像是一回事,我们这里实例分析一下:

上面这个例子中,A~D,每个对象只存在一个引用,分别是:A-强引用,B-软引用,C-弱引用,D-虚引用,所以他们的可达性为:A-强可达,B-软可达,C-弱可达,D-虚可达。因为E没有存在和GC Root的引用链,所以它是不可达。

在看一个复杂的例子:

  • A依然只有一个强引用,所以A是强可达
  • B存在两个引用,强引用和软引用,但是B可以通过强引用访问到,所以B是强可达
  • C只能通过弱引用访问到,所以是弱可达
  • D存在弱引用和虚引用,所以是弱可达
  • E虽然存在F的强引用,但是GC Root无法访问到它,所以它依然是不可达。

同时可以看出,对象的可达性是会发生变化的,随着运行时引用对象的引用类型的变化,可达性也会发生变化,可以参考下图:

Reference总体结构

Reference类是所有引用类型的基类,Java提供了具体引用类型的具体实现:

  • SoftReference:软引用,堆内存不足时,垃圾回收器会回收对应引用
  • WeakReference:弱引用,每次垃圾回收都会回收其引用
  • PhantomReference:虚引用,对引用无影响,只用于获取对象被回收的通知
  • FinalReference:Java用于实现finalization的一个内部类

因为默认的引用就是强引用,所以没有强引用的Reference实现类。

Reference的核心

Java的多种引用类型实现,不是通过扩展语法实现的,而是利用类实现的,Reference类表示一个引用,其核心代码就是一个成员变量reference

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public abstract class Reference<T> {
private T referent; // 会被GC特殊对待

// 获取Reference管理的对象
public T get() {
return this.referent;
}

// ...
}

如果JVM没有对这个变量做特殊处理,它依然只是一个普通的强引用,之所以会出现不同的引用类型,是因为JVM垃圾回收器硬编码识别SoftReferenceWeakReferencePhantomReference等这些具体的类,对其reference变量进行特殊对象,才有了不同的引用类型的效果。

上文提到了Reference及其子类有两大功能:

  1. 实现特定的引用类型
  2. 用户可以对象被回收后得到通知

第一个功能已经解释过了,第二个功能是如何做到的呢?

一种思路是在新建一个Reference实例是,添加一个回调,当java.lang.ref.Reference#referent被回收时,JVM调用该回调,这种思路比较符合一般的通知模型,但是对于引用与垃圾回收这种底层场景来说,会导致实现复杂,性能不高的问题,比如需要考虑在什么线程中执行这个回调,回调执行阻塞怎么办等等。

所以Reference使用了一种更加原始的方式来做通知,就是把引用对象被回收的Reference添加到一个队列中,用户后续自己去从队列中获取并使用。

理解了设计后对应到代码上就好理解了,Reference有一个queue成员变量,用于存储引用对象被回收的Reference实例:

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public abstract class Reference<T> {
// 会被GC特殊对待
private T referent;
// reference被回收后,当前Reference实例会被添加到这个队列中
volatile ReferenceQueue<? super T> queue;

// 只传入reference的构造函数,意味着用户只需要特殊的引用类型,不关心对象何时被GC
Reference(T referent) {
this(referent, null);
}

// 传入referent和ReferenceQueue的构造函数,reference被回收后,会添加到queue中
Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
this.referent = referent;
this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
}

// ...
}

Reference的状态

Reference对象是有状态的。一共有4中状态:

  1. Active:新创建的实例的状态,由垃圾回收器进行处理,如果实例的可达性处于合适的状态,垃圾回收器会切换实例的状态为Pending或者Inactive。如果Reference注册了ReferenceQueue,则会切换为Pending,并且Reference会加入pending-Reference链表中,如果没有注册ReferenceQueue,会切换为Inactive
  2. Pending:在pending-Reference链表中的Reference的状态,这些Reference等待被加入ReferenceQueue中。
  3. Enqueued:在ReferenceQueue队列中的Reference的状态,如果Reference从队列中移除,会进入Inactive状态
  4. Inactive:Reference的最终状态

Reference对象图如下:

除了上文提到的ReferenceQueue,这里出现了一个新的数据结构:pending-Reference。这个链表是用来干什么的呢?

上文提到了,reference引用的对象被回收后,该Reference实例会被添加到ReferenceQueue中,但是这个不是垃圾回收器来做的,这个操作还是有一定逻辑的,如果垃圾回收器还需要执行这个操作,会降低其效率。从另外一方面想,Reference实例会被添加到ReferenceQueue中的实效性要求不高,所以也没必要在回收时立马加入ReferenceQueue

所以垃圾回收器做的是一个更轻量级的操作:把Reference添加到pending-Reference链表中。Reference对象中有一个pending成员变量,是静态变量,它就是这个pending-Reference链表的头结点。要组成链表,还需要一个指针,指向下一个节点,这个对应的是java.lang.ref.Reference#discovered这个成员变量。

可以看一下代码:

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public abstract class Reference<T> {
// 会被GC特殊对待
private T referent;
// reference被回收后,当前Reference实例会被添加到这个队列中
volatile ReferenceQueue<? super T> queue;

// 全局唯一的pending-Reference列表
private static Reference<Object> pending = null;

// Reference为Active:由垃圾回收器管理的已发现的引用列表(这个不在本文讨论访问内)
// Reference为Pending:在pending列表中的下一个元素,如果没有为null
// 其他状态:NULL
transient private Reference<T> discovered; /* used by VM */
// ...
}

ReferenceHandler线程

通过上文的讨论,我们知道一个Reference实例化后状态为Active,其引用的对象被回收后,垃圾回收器将其加入到pending-Reference链表,等待加入ReferenceQueue。这个过程是如何实现的呢?

这个过程不能对垃圾回收器产生影响,所以不能在垃圾回收线程中执行,也就需要一个独立的线程来负责。这个线程就是ReferenceHandler,它定义在Reference类中:

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// 用于控制垃圾回收器操作与Pending状态的Reference入队操作不冲突执行的全局锁
// 垃圾回收器开始一轮垃圾回收前要获取此锁
// 所以所有占用这个锁的代码必须尽快完成,不能生成新对象,也不能调用用户代码
static private class Lock { };
private static Lock lock = new Lock();

private static class ReferenceHandler extends Thread {

ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {
super(g, name);
}

public void run() {
// 这个线程一直执行
for (;;) {
Reference<Object> r;
// 获取锁,避免与垃圾回收器同时操作
synchronized (lock) {
// 判断pending-Reference链表是否有数据
if (pending != null) {
// 如果有Pending Reference,从列表中取出
r = pending;
pending = r.discovered;
r.discovered = null;
} else {
// 如果没有Pending Reference,调用wait等待
//
// wait等待锁,是可能抛出OOME的,
// 因为可能发生InterruptedException异常,然后就需要实例化这个异常对象,
// 如果此时内存不足,就可能抛出OOME,所以这里需要捕获OutOfMemoryError,
// 避免因为OOME而导致ReferenceHandler进程静默退出
try {
try {
lock.wait();
} catch (OutOfMemoryError x) { }
} catch (InterruptedException x) { }
continue;
}
}

// 如果Reference是Cleaner,调用其clean方法
// 这与Cleaner机制有关系,不在此文的讨论访问
if (r instanceof Cleaner) {
((Cleaner)r).clean();
continue;
}

// 把Reference添加到关联的ReferenceQueue中
// 如果Reference构造时没有关联ReferenceQueue,会关联ReferenceQueue.NULL,这里就不会进行入队操作了
ReferenceQueue<Object> q = r.queue;
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
}
}
}

ReferenceHandler线程是在Reference的static块中启动的:

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static {
// 获取system ThreadGroup
ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
for (ThreadGroup tgn = tg;
tgn != null;
tg = tgn, tgn = tg.getParent());
Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");

// ReferenceHandler线程有最高优先级
handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
handler.setDaemon(true);
handler.start();
}

综上,ReferenceHandler是一个最高优先级的线程,其逻辑是从Pending-Reference链表中取出Reference,添加到其关联的Reference-Queue中。

ReferenceQueue

Reference-Queue也是一个链表:

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public class ReferenceQueue<T> {
private volatile Reference<? extends T> head = null;
// ...
}
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// ReferenceQueue中的这个锁用于保护链表队列在多线程环境下的正确性
static private class Lock { };
private Lock lock = new Lock();

boolean enqueue(Reference<? extends T> r) { /* Called only by Reference class */
synchronized (lock) {
// 判断Reference是否需要入队
ReferenceQueue<?> queue = r.queue;
if ((queue == NULL) || (queue == ENQUEUED)) {
return false;
}
assert queue == this;

// Reference入队后,其queue变量设置为ENQUEUED
r.queue = ENQUEUED;
// Reference的next变量指向ReferenceQueue中下一个元素
r.next = (head == null) ? r : head;
head = r;
queueLength++;
if (r instanceof FinalReference) {
sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);
}
lock.notifyAll();
return true;
}
}

通过上面的代码,可以知道java.lang.ref.Reference#next的用途了:

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public abstract class Reference<T> {
/* When active: NULL
* pending: this
* Enqueued: 指向ReferenceQueue中的下一个元素,如果没有,指向this
* Inactive: this
*/
Reference next;

// ...
}

总结

一个使用Reference+ReferenceQueue的完整流程如下:

参考资料