@(Java)[Reference]
Java Reference 源碼分析
Reference對象封裝了其它對象的引用，可以和普通的對象一樣操作，在一定的限制條件下，支持和垃圾收集器的交互。即可以使用Reference對象來引用其它對象，但是最后還是會被垃圾收集器回收。程序有時候也需要在對象回收后被通知，以告知對象的可達性發生變更。
Java提供了四種不同類型的引用，引用級別從高到低分別為FinalReference,SoftReference,WeakReference,PhantomReference。其中FinalReference不對外提供使用。每種類型對應着不同級別的可達性。
簡介
強引用FinalReference
強引用指的是，程序中有直接可達的引用，而不需要通過任何引用對象，如Object obj = new Object();中，obj為強引用。
軟引用SoftReference
軟引用，非強引用，但是可以通過軟引用對象來訪問。軟引用的對象，只有在內存不足的時候（拋出OOM異常前），垃圾收集器會決定回收該軟引用所指向的對象。軟引用通常用於實現內存敏感的緩存。
SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<Object>(new Object());
弱引用WeakReference
弱引用，非強引用和軟引用，但是可以通過弱引用對象來訪問。弱引用的對象，不管內存是否足夠，只要被垃圾收集器發現，該引用的對象就會被回收。實際的應用見WeakHashMap等。
WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<Object>(new Object());
虛引用PhantomReference
虛引用，該引用必須和引用隊列(ReferenceQueue)一起使用，一般用於實現追蹤垃圾收集器的回收動作，比如在對象被回收的時候，會調用該對象的finalize方法，在使用虛引用可以實現該動作，也更加安全。
Object obj = new Object();
ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<Object>(obj, refQueue);
ReferenceQueue
該隊列作為引用中的一員，可以和上述三種引用類型組合使用，該隊列的作用是：創建Reference時，將Queue注冊到Reference中，當該Reference所引用的對象被垃圾收集器回收時，會將該Reference放到該隊列中，相當於一種通知機制。
示例 Demo1：
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
System.gc();
Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);
源碼分析
Reference和ReferenceQueue
Reference內部有幾個比較重要的屬性
// 用於保存對象的引用，GC會根據不同Reference來特別對待
private T referent;
// 如果需要通知機制，則保存的對對應的隊列
ReferenceQueue<? super T> queue;
/* 這個用於實現一個單向循環鏈表，用以將保存需要由ReferenceHandler處理的引用 */
Reference next;
static private class Lock { };
// 鎖，用於同步pending隊列的進隊和出隊
private static Lock lock = new Lock();
// 此屬性保存一個PENDING的隊列，配合上述next一起使用
private static Reference pending = null;
狀態圖
內部類ReferenceHandler
ReferenceHandler作為Reference的靜態內部類，用於實現將pending隊列里面的Reference實例依次添加到不同的ReferenceQueue中（取決於Reference里面的queue）。該pending的元素由GC負責加入。
注：這里對pending隊列進行加鎖，個人認為是因為GC線程可能和ReferenceHandler所在的線程並發執行，如GC采用CMS並發收集的時候。
如下代碼所示
// 此線程在靜態塊中啟動，即一旦使用了Reference，則會啟動該線程
private static class ReferenceHandler extends Thread {
public void run() {
for (;;) {
Reference r;
synchronized (lock) {
if (pending != null) {
r = pending;
Reference rn = r.next;
// 從pending中取下一個元素，如果后繼為空，則next指向自身 pending = (rn == r) ? null : rn;
r.next = r;
} else {
try {
// 沒有則等待，后續加入元素會調用lock.notify喚醒
lock.wait();
} catch (InterruptedException x) { }
continue;
}
}
// ...
ReferenceQueue q = r.queue;
// 如果該Reference注冊了對應的Queue，則加入到該Queue中
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
}
}
}
ReferenceQueue屬性
// 用於標識沒有注冊Queue
static ReferenceQueue NULL = new Null();
// 用於標識已經處於對應的Queue中
static ReferenceQueue ENQUEUED = new Null();
static private class Lock { };
/* 互斥鎖，用於同步ReferenceHandler的enqueue和用戶線程操作的remove和poll出隊操作 */
private Lock lock = new Lock();
// 隊列
private volatile Reference<? extends T> head = null;
// 隊列中的元素個數
private long queueLength = 0;
ReferenceQueue.enqueue
只會通過Reference里要調用該方法，用於將Reference放入到當前隊列中
boolean enqueue(Reference<? extends T> r) {
synchronized (r) {
// 判斷是否已經入隊了
if (r.queue == ENQUEUED) return false;
synchronized (lock) {
r.queue = ENQUEUED;
// 單向循環
r.next = (head == null) ? r : head;
head = r;
queueLength++;
if (r instanceof FinalReference) {
sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);
}
// 通知當前掛起的線程（調用remove時有可能會掛起）
lock.notifyAll();
return true;
}
}
}
ReferenceQueue.remove
public Reference<? extends T> remove(long timeout)
throws IllegalArgumentException, InterruptedException
{
if (timeout < 0) {
throw new IllegalArgumentException("Negative timeout value");
}
synchronized (lock) {
// 從隊列中取出一個元素
Reference<? extends T> r = reallyPoll();
// 如果不為空，則直接返回
if (r != null) return r;
for (;;) {
// 否則等待，由enqueue時notify喚醒
lock.wait(timeout);
r = reallyPoll();
if (r != null) return r;
if (timeout != 0) return null;
}
}
}
具體執行流程
以上述示例Demo1作為分析
// 創建一個引用隊列
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
// 創建虛引用，此時狀態為Active，並且Reference.pending為空，當前Reference.queue = 上面創建的queue，並且next=null
WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
// 當GC執行后，由於是虛引用，所以回收該object對象，並且置於pending上，此時reference的狀態為PENDING
System.gc();
/* ReferenceHandler從pending中取下該元素，並且將該元素放入到queue中，此時Reference狀態為ENQUEUED，Reference.queue = ReferenceENQUEUED */
/* 當從queue里面取出該元素，則變為INACTIVE，Reference.queue = Reference.NULL */
Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);
應用 - WeakHashMap
WeakHashMap在使用上和HashMap類型，都是Hash + 鏈表解決沖突，唯一不同點在於前者的Key是使用虛引用來實現的，即當進行垃圾回收的時候，就是被回收掉，此時WeakHashMap會在下次操作的時候，根據被回收掉的Key，從Map里面移除掉。
Entry
當創建Entry的時候，會注冊進當前Map屬性的queue，當key被回收后，則該Entry會被放入到queue中，每當操作Map的時候，才會將原有的Value清除掉。（由expungeStaleEntries方法來進行，並且沒有啟動一個單獨的線程來處理，沒有必要，這樣子簡化了邏輯以及避免鎖的開銷）
// 外部WeakHashMap屬性
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
/* 這里采用了集成WeakReference而不是直接使用，是因為當被回收的時候，具體的Key是不知道的，這里需要往WeakReference額外加入一些屬性，以便在被回收后通知時，能夠定位到具體的Key/value */
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
// 這里屬性不能加入key，否則會導致存在強引用而不能被視為WeakReference回收掉
V value;
int hash;
Entry<K,V> next;
Entry(Object key, V value,
ReferenceQueue<Object> queue,
int hash, Entry<K,V> next) {
super(key, queue);
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
// ...
}
參考
官方文檔：
http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/ref/package-summary.html#package_description
博客：
http://www.importnew.com/20468.html
http://hongjiang.info/java-referencequeue/
http://blog.csdn.net/lyfi01/article/details/6415726