Java 強(qiáng)引用、 軟引用、 弱引用、虛引用1．對(duì)象的強(qiáng)、軟、弱和虛引用
在JDK 1.2以前的版本中，若一個(gè)對(duì)象不被任何變量引用，那么程序就無(wú)法再使用這個(gè)對(duì)象。也就是說(shuō)，只有對(duì)象處于可觸及（reachable）狀態(tài)，程序才能使用它。從JDK 1.2版本開(kāi)始，把對(duì)象的引用分為4種級(jí)別，從而使程序能更加靈活地控制對(duì)象的生命周期。這4種級(jí)別由高到低依次為：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用和虛引用。圖1為對(duì)象應(yīng)用類層次。
圖1
⑴強(qiáng)引用（StrongReference）
強(qiáng)引用是使用最普遍的引用。如果一個(gè)對(duì)象具有強(qiáng)引用，那垃圾回收器絕不會(huì)回收它。當(dāng)內(nèi)存空間不足，Java虛擬機(jī)寧愿拋出OutOfMemoryError錯(cuò)誤，使程序異常終止，也不會(huì)靠隨意回收具有強(qiáng)引用的對(duì)象來(lái)解決內(nèi)存不足的問(wèn)題。
⑵軟引用（SoftReference）
如果一個(gè)對(duì)象只具有軟引用，則內(nèi)存空間足夠，垃圾回收器就不會(huì)回收它；如果內(nèi)存空間不足了，就會(huì)回收這些對(duì)象的內(nèi)存。只要垃圾回收器沒(méi)有回收它，該對(duì)象就可以被程序使用。軟引用可用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存敏感的高速緩存（下文給出示例）。
軟引用可以和一個(gè)引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用，如果軟引用所引用的對(duì)象被垃圾回收器回收，Java虛擬機(jī)就會(huì)把這個(gè)軟引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。
⑶弱引用（WeakReference）
弱引用與軟引用的區(qū)別在于：只具有弱引用的對(duì)象擁有更短暫的生命周期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內(nèi)存區(qū)域的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)了只具有弱引用的對(duì)象，不管當(dāng)前內(nèi)存空間足夠與否，都會(huì)回收它的內(nèi)存。不過(guò)，由于垃圾回收器是一個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的線程，因此不一定會(huì)很快發(fā)現(xiàn)那些只具有弱引用的對(duì)象。
弱引用可以和一個(gè)引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用，如果弱引用所引用的對(duì)象被垃圾回收，Java虛擬機(jī)就會(huì)把這個(gè)弱引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。
⑷虛引用（PhantomReference）
“虛引用”顧名思義，就是形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。如果一個(gè)對(duì)象僅持有虛引用，那么它就和沒(méi)有任何引用一樣，在任何時(shí)候都可能被垃圾回收器回收。
虛引用主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收器回收的活動(dòng)。虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于：虛引用必須和引用隊(duì)列 （ReferenceQueue）聯(lián)合使用。當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會(huì)在回收對(duì)象的內(nèi)存之前，把這個(gè)虛引用加入到與之 關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);
程序可以通過(guò)判斷引用隊(duì)列中是否已經(jīng)加入了虛引用，來(lái)了解被引用的對(duì)象是否將要被垃圾回收。如果程序發(fā)現(xiàn)某個(gè)虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì)列，那么就可以在所引用的對(duì)象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動(dòng)。
2．對(duì)象可及性的判斷
在很多時(shí)候，一個(gè)對(duì)象并不是從根集直接引用的，而是一個(gè)對(duì)象被其他對(duì)象引用，甚至同時(shí)被幾個(gè)對(duì)象所引用，從而構(gòu)成一個(gè)以根集為頂?shù)臉?shù)形結(jié)構(gòu)。如圖2所示
在這個(gè)樹(shù)形的引用鏈中，箭頭的方向代表了引用的方向，所指向的對(duì)象是被引用對(duì)象。由圖可以看出，從根集到一個(gè)對(duì)象可以由很多條路徑。比如到達(dá)對(duì)象5的路徑就有①-⑤，③-⑦兩條路徑。由此帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，那就是某個(gè)對(duì)象的可及性如何判斷:
◆單條引用路徑可及性判斷:在這條路徑中，最弱的一個(gè)引用決定對(duì)象的可及性。
◆多條引用路徑可及性判斷:幾條路徑中，最強(qiáng)的一條的引用決定對(duì)象的可及性。
比如，我們假設(shè)圖2中引用①和③為強(qiáng)引用，⑤為軟引用，⑦為弱引用，對(duì)于對(duì)象5按照這兩個(gè)判斷原則，路徑①-⑤取最弱的引用⑤，因此該路徑對(duì)對(duì)象5的引用為軟引用。同樣，③-⑦為弱引用。在這兩條路徑之間取最強(qiáng)的引用，于是對(duì)象5是一個(gè)軟可及對(duì)象。
3．使用軟引用構(gòu)建敏感數(shù)據(jù)的緩存
3.1 為什么需要使用軟引用
首先，我們看一個(gè)雇員信息查詢系統(tǒng)的實(shí)例。我們將使用一個(gè)Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的雇員信息查詢系統(tǒng)查詢存儲(chǔ)在磁盤(pán)文件或者數(shù)據(jù)庫(kù)中的雇員人事檔案信息。作為一個(gè)用戶，我們完全有可能需要回頭去查看幾分鐘甚至幾秒鐘前查看過(guò)的雇員檔案信息(同樣，我們?cè)跒g覽WEB頁(yè)面的時(shí)候也經(jīng)常會(huì)使用“后退”按鈕)。這時(shí)我們通常會(huì)有兩種程序?qū)崿F(xiàn)方式:一種是把過(guò)去查看過(guò)的雇員信息保存在內(nèi)存中，每一個(gè)存儲(chǔ)了雇員檔案信息的Java對(duì)象的生命周期貫穿整個(gè)應(yīng)用程序始終;另一種是當(dāng)用戶開(kāi)始查看其他雇員的檔案信息的時(shí)候，把存儲(chǔ)了當(dāng)前所查看的雇員檔案信息的Java對(duì)象結(jié)束引用，使得垃圾收集線程可以回收其所占用的內(nèi)存空間，當(dāng)用戶再次需要瀏覽該雇員的檔案信息的時(shí)候，重新構(gòu)建該雇員的信息。很顯然，第一種實(shí)現(xiàn)方法將造成大量的內(nèi)存浪費(fèi)，而第二種實(shí)現(xiàn)的缺陷在于即使垃圾收集線程還沒(méi)有進(jìn)行垃圾收集，包含雇員檔案信息的對(duì)象仍然完好地保存在內(nèi)存中，應(yīng)用程序也要重新構(gòu)建一個(gè)對(duì)象。我們知道，訪問(wèn)磁盤(pán)文件、訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源、查詢數(shù)據(jù)庫(kù)等操作都是影響應(yīng)用程序執(zhí)行性能的重要因素，如果能重新獲取那些尚未被回收的Java對(duì)象的引用，必將減少不必要的訪問(wèn)，大大提高程序的運(yùn)行速度。
3.2 如果使用軟引用
SoftReference的特點(diǎn)是它的一個(gè)實(shí)例保存對(duì)一個(gè)Java對(duì)象的軟引用，該軟引用的存在不妨礙垃圾收集線程對(duì)該Java對(duì)象的回收。也就是說(shuō)，一旦SoftReference保存了對(duì)一個(gè)Java對(duì)象的軟引用后，在垃圾線程對(duì)這個(gè)Java對(duì)象回收前，SoftReference類所提供的get()方法返回Java對(duì)象的強(qiáng)引用。另外，一旦垃圾線程回收該Java對(duì)象之后，get()方法將返回null。
看下面代碼:
MyObject aRef = new MyObject();
SoftReference aSoftRef=new SoftReference(aRef);
此時(shí)，對(duì)于這個(gè)MyObject對(duì)象，有兩個(gè)引用路徑，一個(gè)是來(lái)自SoftReference對(duì)象的軟引用，一個(gè)來(lái)自變量aReference的強(qiáng)引用，所以這個(gè)MyObject對(duì)象是強(qiáng)可及對(duì)象。
隨即，我們可以結(jié)束aReference對(duì)這個(gè)MyObject實(shí)例的強(qiáng)引用:
aRef = null;
此后，這個(gè)MyObject對(duì)象成為了軟可及對(duì)象。如果垃圾收集線程進(jìn)行內(nèi)存垃圾收集，并不會(huì)因?yàn)橛幸粋€(gè)SoftReference對(duì)該對(duì)象的引用而始終保留該對(duì)象。Java虛擬機(jī)的垃圾收集線程對(duì)軟可及對(duì)象和其他一般Java對(duì)象進(jìn)行了區(qū)別對(duì)待:軟可及對(duì)象的清理是由垃圾收集線程根據(jù)其特定算法按照內(nèi)存需求決定的。也就是說(shuō)，垃圾收集線程會(huì)在虛擬機(jī)拋出OutOfMemoryError之前回收軟可及對(duì)象，而且虛擬機(jī)會(huì)盡可能優(yōu)先回收長(zhǎng)時(shí)間閑置不用的軟可及對(duì)象，對(duì)那些剛剛構(gòu)建的或剛剛使用過(guò)的“新”軟可反對(duì)象會(huì)被虛擬機(jī)盡可能保留。在回收這些對(duì)象之前，我們可以通過(guò):
MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get();
重新獲得對(duì)該實(shí)例的強(qiáng)引用。而回收之后，調(diào)用get()方法就只能得到null了。
3.3 使用ReferenceQueue清除失去了軟引用對(duì)象的SoftReference
作為一個(gè)Java對(duì)象，SoftReference對(duì)象除了具有保存軟引用的特殊性之外，也具有Java對(duì)象的一般性。所以，當(dāng)軟可及對(duì)象被回收之后，雖然這個(gè)SoftReference對(duì)象的get()方法返回null,但這個(gè)SoftReference對(duì)象已經(jīng)不再具有存在的價(jià)值，需要一個(gè)適當(dāng)?shù)那宄龣C(jī)制，避免大量SoftReference對(duì)象帶來(lái)的內(nèi)存泄漏。在java.lang.ref包里還提供了ReferenceQueue。如果在創(chuàng)建SoftReference對(duì)象的時(shí)候，使用了一個(gè)ReferenceQueue對(duì)象作為參數(shù)提供給SoftReference的構(gòu)造方法，如:
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
SoftReference ref=new SoftReference(aMyObject, queue);
那么當(dāng)這個(gè)SoftReference所軟引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同時(shí)，ref所強(qiáng)引用的SoftReference對(duì)象被列入ReferenceQueue。也就是說(shuō)，ReferenceQueue中保存的對(duì)象是Reference對(duì)象，而且是已經(jīng)失去了它所軟引用的對(duì)象的Reference對(duì)象。另外從ReferenceQueue這個(gè)名字也可以看出，它是一個(gè)隊(duì)列，當(dāng)我們調(diào)用它的poll()方法的時(shí)候，如果這個(gè)隊(duì)列中不是空隊(duì)列，那么將返回隊(duì)列前面的那個(gè)Reference對(duì)象。
在任何時(shí)候，我們都可以調(diào)用ReferenceQueue的poll()方法來(lái)檢查是否有它所關(guān)心的非強(qiáng)可及對(duì)象被回收。如果隊(duì)列為空，將返回一個(gè)null,否則該方法返回隊(duì)列中前面的一個(gè)Reference對(duì)象。利用這個(gè)方法，我們可以檢查哪個(gè)SoftReference所軟引用的對(duì)象已經(jīng)被回收。于是我們可以把這些失去所軟引用的對(duì)象的SoftReference對(duì)象清除掉。常用的方式為:
SoftReference ref = null;
while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {
// 清除ref
}
理解了ReferenceQueue的工作機(jī)制之后，我們就可以開(kāi)始構(gòu)造一個(gè)Java對(duì)象的高速緩存器了。
3.4通過(guò)軟可及對(duì)象重獲方法實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象的高速緩存
利用Java2平臺(tái)垃圾收集機(jī)制的特性以及前述的垃圾對(duì)象重獲方法，我們通過(guò)一個(gè)雇員信息查詢系統(tǒng)的小例子來(lái)說(shuō)明如何構(gòu)建一種高速緩存器來(lái)避免重復(fù)構(gòu)建同一個(gè)對(duì)象帶來(lái)的性能損失。我們將一個(gè)雇員的檔案信息定義為一個(gè)Employee類:
public class Employee {
private String id;// 雇員的標(biāo)識(shí)號(hào)碼
private String name;// 雇員姓名
private String department;// 該雇員所在部門(mén)
private String Phone;// 該雇員聯(lián)系電話
private int salary;// 該雇員薪資
private String origin;// 該雇員信息的來(lái)源
// 構(gòu)造方法
public Employee(String id) {
this.id = id;
getDataFromlnfoCenter();
}
// 到數(shù)據(jù)庫(kù)中取得雇員信息
private void getDataFromlnfoCenter() {
// 和數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接井查詢?cè)摴蛦T的信息，將查詢結(jié)果賦值
// 給name，department，plone，salary等變量
// 同時(shí)將origin賦值為"From DataBase"
}
……
這個(gè)Employee類的構(gòu)造方法中我們可以預(yù)見(jiàn)，如果每次需要查詢一個(gè)雇員的信息。哪怕是幾秒中之前剛剛查詢過(guò)的，都要重新構(gòu)建一個(gè)實(shí)例，這是需要消耗很多時(shí)間的。下面是一個(gè)對(duì)Employee對(duì)象進(jìn)行緩存的緩存器的定義:
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Hashtable;
public class EmployeeCache {
static private EmployeeCache cache;// 一個(gè)Cache實(shí)例
private Hashtable<String,EmployeeRef> employeeRefs;// 用于Chche內(nèi)容的存儲(chǔ)
private ReferenceQueue<Employee> q;// 垃圾Reference的隊(duì)列
// 繼承SoftReference，使得每一個(gè)實(shí)例都具有可識(shí)別的標(biāo)識(shí)。
// 并且該標(biāo)識(shí)與其在HashMap內(nèi)的key相同。
private class EmployeeRef extends SoftReference<Employee> {
private String _key = "";
public EmployeeRef(Employee em, ReferenceQueue<Employee> q) {
super(em, q);
_key = em.getID();
}
}
// 構(gòu)建一個(gè)緩存器實(shí)例
private EmployeeCache() {
employeeRefs = new Hashtable<String,EmployeeRef>();
q = new ReferenceQueue<Employee>();
}
// 取得緩存器實(shí)例
public static EmployeeCache getInstance() {
if (cache == null) {
cache = new EmployeeCache();
}
return cache;
}
// 以軟引用的方式對(duì)一個(gè)Employee對(duì)象的實(shí)例進(jìn)行引用并保存該引用
private void cacheEmployee(Employee em) {
cleanCache();// 清除垃圾引用
EmployeeRef ref = new EmployeeRef(em, q);
employeeRefs.put(em.getID(), ref);
}
// 依據(jù)所指定的ID號(hào)，重新獲取相應(yīng)Employee對(duì)象的實(shí)例
public Employee getEmployee(String ID) {
Employee em = null;
// 緩存中是否有該Employee實(shí)例的軟引用，如果有，從軟引用中取得。
if (employeeRefs.containsKey(ID)) {
EmployeeRef ref = (EmployeeRef) employeeRefs.get(ID);
em = (Employee) ref.get();
}
// 如果沒(méi)有軟引用，或者從軟引用中得到的實(shí)例是null，重新構(gòu)建一個(gè)實(shí)例，
// 并保存對(duì)這個(gè)新建實(shí)例的軟引用
if (em == null) {
em = new Employee(ID);
System.out.println("Retrieve From EmployeeInfoCenter. ID=" + ID);
this.cacheEmployee(em);
}
return em;
}
// 清除那些所軟引用的Employee對(duì)象已經(jīng)被回收的EmployeeRef對(duì)象
private void cleanCache() {
EmployeeRef ref = null;
while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {
employeeRefs.remove(ref._key);
}
}
