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:

1. 首先计算出了最大堆内存和上次 gc 时剩余的内存；
2. 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；
3. 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()；
• 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，这行这个清楚操作；

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

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