理解Java的强引用、软引用、弱引用和虚引用

Java 执行 GC 判断对象是否 存活 有两种方式其中一种是 引用计数 。

引用计数：Java堆中每一个对象都有一个引用计数属性，引用每新增1次计数加1，引用每释放1次计数减1。

在 JDK 1.2 以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于( reachable ) 可达状态 ，程序才能使用它。

从 JDK 1.2 版本开始，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 。

正文

1. 强引用(StrongReference)

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那 垃圾回收器 绝不会回收它。如下：

Object strongReference = new Object();
复制代码

当 内存空间不足 时， Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，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 ，需要弱化从而使 GC 能够回收，如下：

strongReference = null;
复制代码

显式地设置 strongReference 对象为 null ，或让其 超出 对象的 生命周期 范围，则 gc 认为该对象 不存在引用 ，这时就可以回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于 GC 算法。

public void test() {
        Object strongReference = new Object();
        // 省略其他操作
    }
复制代码

在一个 方法的内部 有一个 强引用 ，这个引用保存在 Java 栈 中，而真正的引用内容( Object )保存在 Java 堆 中。 当这个 方法运行完成 后，就会退出 方法栈 ，则引用对象的 引用数 为 0 ，这个对象会被回收。

但是如果这个 strongReference 是 全局变量 时，就需要在不用这个对象时赋值为 null ，因为 强引用 不会被垃圾回收。

ArrayList的Clear方法：

在 ArrayList 类中定义了一个 elementData 数组，在调用 clear 方法清空数组时，每个数组元素被赋值为 null 。 不同于 elementData=null ，强引用仍然存在，避免在后续调用 add() 等方法添加元素时进行内存的 重新分配 。 使用如 clear() 方法 内存数组 中存放的 引用类型 进行 内存释放 特别适用，这样就可以及时释放内存。

2. 软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有 软引用 ，则 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。

软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

// 强引用
    String strongReference = new String("abc");
    // 软引用
    String str = new String("abc");
    SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);
复制代码

软引用可以和一个 引用队列 ( ReferenceQueue )联合使用。如果 软引用 所引用对象被 垃圾回收 ， JAVA 虚拟机就会把这个 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
复制代码

注意：软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，JVM什么时候扫描回收对象是JVM自己的状态决定的。就算扫描到软引用对象也不一定会回收它，只有内存不够的时候才会回收。

当内存不足时， JVM 首先将 软引用 中的 对象 引用置为 null ，然后通知 垃圾回收器 进行回收：

if(JVM内存不足) {
        // 将软引用中的对象引用置为null
        str = null;
        // 通知垃圾回收器进行回收
        System.gc();
    }
复制代码

也就是说， 垃圾收集线程 会在虚拟机抛出 OutOfMemoryError 之前回 收软引用对象 ，而且 虚拟机 会尽可能优先回收 长时间闲置不用 的 软引用对象 。对那些 刚构建 的或刚使用过的**"较新的" 软对象会被虚拟机尽可能 保留**，这就是引入 引用队列 ReferenceQueue 的原因。

应用场景：

浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了。

1. 如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建；
2. 如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出。

这时候就可以使用软引用，很好的解决了实际的问题：

// 获取浏览器对象进行浏览
    Browser browser = new Browser();
    // 从后台程序加载浏览页面
    BrowserPage page = browser.getPage();
    // 将浏览完毕的页面置为软引用
    SoftReference softReference = new SoftReference(page);

    // 回退或者再次浏览此页面时
    if(softReference.get() != null) {
        // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
        page = softReference.get();
    } else {
        // 内存不足，软引用的对象已经回收
        page = browser.getPage();
        // 重新构建软引用
        softReference = new SoftReference(page);
    }
复制代码

3. 弱引用(WeakReference)

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 。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 回收 它的内存。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。

String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    str = null;
复制代码

JVM 首先将 软引用 中的 对象 引用置为 null ，然后通知 垃圾回收器 进行回收：

str = null;
    System.gc();
复制代码

注意：如果一个对象是偶尔(很少)的使用，并且希望在使用时随时就能获取到，但又不想影响此对象的垃圾收集，那么你应该用Weak Reference来记住此对象。

下面的代码会让一个 弱引用 再次变为一个 强引用 ：

String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    // 弱引用转强引用
    String strongReference = weakReference.get();
复制代码

同样， 弱引用 可以和一个 引用队列 ( ReferenceQueue )联合使用，如果 弱引用 所引用的 对象 被 垃圾回收 ， Java 虚拟机就会把这个 弱引用 加入到与之关联的 引用队列 中。

简单测试：

GCTarget.java

public class GCTarget {
    // 对象的ID
    public String id;

    // 占用内存空间
    byte[] buffer = new byte[1024];

    public GCTarget(String id) {
        this.id = id;
    }

    protected void finalize() throws Throwable {
        // 执行垃圾回收时打印显示对象ID
        System.out.println("Finalizing GCTarget, id is : " + id);
    }
}
复制代码

GCTargetWeakReference.java

public class GCTargetWeakReference extends WeakReference<GCTarget> {
    // 弱引用的ID
    public String id;

    public GCTargetWeakReference(GCTarget gcTarget,
              ReferenceQueue<? super GCTarget> queue) {
        super(gcTarget, queue);
        this.id = gcTarget.id;
    }

    protected void finalize() {
        System.out.println("Finalizing GCTargetWeakReference " + id);
    }
}
复制代码

WeakReferenceTest.java

public class WeakReferenceTest {
    // 弱引用队列
    private final static ReferenceQueue<GCTarget> REFERENCE_QUEUE = new ReferenceQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<GCTargetWeakReference> gcTargetList = new LinkedList<>();

        // 创建弱引用的对象，依次加入链表中
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            GCTarget gcTarget = new GCTarget(String.valueOf(i));
            GCTargetWeakReference weakReference = new GCTargetWeakReference(gcTarget,
                REFERENCE_QUEUE);
            gcTargetList.add(weakReference);

            System.out.println("Just created GCTargetWeakReference obj: " +
                gcTargetList.getLast());
        }

        // 通知GC进行垃圾回收
        System.gc();

        try {
            // 休息几分钟，等待上面的垃圾回收线程运行完成
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 检查关联的引用队列是否为空
        Reference<? extends GCTarget> reference;
        while((reference = REFERENCE_QUEUE.poll()) != null) {
            if(reference instanceof GCTargetWeakReference) {
                System.out.println("In queue, id is: " +
                    ((GCTargetWeakReference) (reference)).id);
            }
        }
    }
}
复制代码

运行 WeakReferenceTest.java ，运行结果如下：

可见 WeakReference 对象的生命周期基本由 垃圾回收器 决定，一旦垃圾回收线程发现了 弱引用对象 ，在下一次 GC 过程中就会对其进行回收。

4. 虚引用(PhantomReference)

虚引用顾名思义，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。

应用场景：

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。

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);
复制代码

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。

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

当 垃圾回收器 回收时，某些对象会被回收，某些不会被回收。垃圾回收器会从 根对象 Object 来 标记 存活的对象，然后将某些不可达的对象和一些引用的对象进行回收。

通过表格来说明一下，如下：

欢迎关注技术公众号： 零壹技术栈

本帐号将持续分享后端技术干货，包括虚拟机基础，多线程编程，高性能框架，异步、缓存和消息中间件，分布式和微服务，架构学习和进阶等学习资料和文章。