你不可不知的Java引用類型之——弱引用

定義

弱引用是使用WeakReference創建的引用，弱引用也是用來描述非必需對象的，它是比軟引用更弱的引用類型。在發生GC時，只要發現弱引用，不管系統堆空間是否足夠，都會將對象進行回收。

說明

弱引用，從名字來看就很弱嘛，這種引用指向的對象，一旦在GC時被掃描到，就逃脫不了被回收的命運。

但是，弱引用指向的對象也並不一定就馬上會被回收，如果弱引用對象較大，直接進到了老年代，那么就可以苟且偷生到Full GC觸發前，所以弱引用對象也可能存在較長的一段時間。一旦一個弱引用對象被垃圾回收器回收，便會加入到一個引用隊列中（如果有的話）。

弱引用對應的類為WeakReference，舉個栗子：

String s = new String("Frank");    
WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<String>(s);
s = null;

這里我們把s設置為null后，字符串對象便只有弱引用指向它。

弱可達
如果一個對象與GC Roots之間僅存在弱引用，則稱這個對象為弱可達(weakly reachable)對象。

注意
在垃圾回收器回收一個對象前，WeakReference類所提供的get方法會返回其引用對象的強引用，一旦垃圾回收器回收掉該對象之后，get方法將返回null。所以在獲取弱引用對象的代碼中，一定要判斷是否為null，以免出現NullPointerException異常導致應用崩潰。

下面的代碼會讓s再次持有對象的強引用：

s = weakRef.get();

如果在weakRef包裹的對象被回收前，用強引用關聯該對象，那這個對象又會變成強可達狀態。

來看一個簡單的栗子了解一下WeakReference引用的對象是何時被回收的：

public class WeakReferenceTest {
    private static final List<Object> TEST_DATA = new LinkedList<>();
    private static final ReferenceQueue<TestClass> QUEUE = new ReferenceQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        TestClass obj = new TestClass("Test");
        WeakReference<TestClass> weakRef = new WeakReference<>(obj, QUEUE);
        //可以重新獲得OOMClass對象，並用一個強引用指向它
        //oomObj = weakRef.get();

        // 該線程不斷讀取這個弱引用，並不斷往列表里插入數據，以促使系統早點進行GC
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                TEST_DATA.add(new byte[1024 * 100]);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println(weakRef.get());
            }
        }).start();

        // 這個線程不斷讀取引用隊列，當弱引用指向的對象唄回收時，該引用就會被加入到引用隊列中
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Reference<? extends TestClass> poll = QUEUE.poll();
                if (poll != null) {
                    System.out.println("--- 弱引用對象被jvm回收了 ---- " + poll);
                    System.out.println("--- 回收對象 ---- " + poll.get());
                }
            }
        }).start();

        //將強引用指向空指針 那么此時只有一個弱引用指向TestClass對象
        obj = null;

        try {
            Thread.currentThread().join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    static class TestClass {
        private String name;

        public TestClass(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "TestClass - " + name;
        }
    }
}

設置一下虛擬機參數：

-verbose:gc -Xms4m -Xmx4m -Xmn2m

運行結果如下：

[GC (Allocation Failure)  1017K->464K(3584K), 0.0014345 secs]
[GC (Allocation Failure)  1483K->536K(3584K), 0.0017221 secs]
[GC (Allocation Failure)  1560K->648K(3584K), 0.0036572 secs]
TestClass - Test
TestClass - Test
TestClass - Test
[GC (Allocation Failure)  1621K->984K(3584K), 0.0011455 secs]
--- 弱引用對象被jvm回收了 ---- java.lang.ref.WeakReference@51a947fe
--- 回收對象 ---- null
null
...省略n個null和幾次GC信息
[Full GC (Ergonomics)  2964K->2964K(3584K), 0.0025450 secs]
[Full GC (Allocation Failure)  2964K->2964K(3584K), 0.0021907 secs]
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid6860.hprof ...
Heap dump file created [3912229 bytes in 0.011 secs]
Exception in thread "Thread-0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at weakhashmap.WeakReferenceTest.lambda$main$0(WeakReferenceTest.java:22)
	at weakhashmap.WeakReferenceTest$$Lambda$1/764977973.run(Unknown Source)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

可以看到，其實弱引用也並不是一發生GC就被回收掉了。

應用場景

如果一個對象僅僅是偶爾使用，並且希望在使用時隨時就能獲取到，但又不想影響此對象的垃圾收集，那么你應該用 WeakReference 來引用該對象。

弱引用可以和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯合使用，如果弱引用所引用的對象被垃圾回收，Java虛擬機就會把這個弱引用加入到與之關聯的引用隊列中。

一般來說，很少直接使用WeakReference，而是使用WeakHashMap。在WeakHashMap中，內部有一個引用隊列，插入的元素會被包裹成WeakReference，並加入隊列中，用來做緩存再合適不過。

在Tomcat的緩存中，其實就用到了WeakHashMap：

public final class ConcurrentCache<K,V> {
    private final int size;
    private final Map<K,V> eden;
    private final Map<K,V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {
        this.size = size;
        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
    }

    public V get(K k) {
        // 先從eden中取
        V v = this.eden.get(k);
        if (v == null) {
            // 如果取不到再從longterm中取
            synchronized (longterm) {
                v = this.longterm.get(k);
            }
            // 如果取到則重新放到eden中
            if (v != null) {
                this.eden.put(k, v);
            }
        }
        return v;
    }

    public void put(K k, V v) {
        if (this.eden.size() >= size) {
            // 如果eden中的元素數量大於指定容量，將所有元素放到longterm中
            synchronized (longterm) {
                this.longterm.putAll(this.eden);
            }
            this.eden.clear();
        }
        this.eden.put(k, v);
    }
}

這里有eden和longterm的兩個map，如果對jvm堆了解的話，可以看出tomcat在這里是使用ConcurrentHashMap和WeakHashMap做了類似分代緩存的操作。

在put方法里，在插入鍵值對時，先檢查eden緩存的容量是否超出設定的大小。如果沒有則直接放入eden緩存，如果超了則鎖定longterm將eden中所有的鍵值對都放入longterm。再將eden清空並插入該鍵值對。

在get方法中，也是優先從eden中找對應的key，如果沒有則進入longterm緩存中查找，找到后就加入eden緩存並返回。

經過這樣的設計，相對常用的對象都能在eden緩存中找到，不常用（有可能被銷毀的對象）的則進入longterm緩存。而longterm的key的實際對象沒有其他引用指向它時，gc就會自動回收heap中該弱引用指向的實際對象，並將弱引用放入其引用隊列中。

弱引用與軟引用對比

弱引用與軟引用的區別在於：

1. 只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。
2. 被垃圾回收器回收的時機不一樣，在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前內存空間足夠與否，都會回收它的內存。而被軟引用關聯的對象只有在內存不足時才會被回收。
3. 弱引用不會影響GC，而軟引用會一定程度上對GC造成影響。

相似之處：都是用來描述非必需對象的。

那么什么時候用SoftReference，什么時候用WeakReference呢？

如果緩存的對象是比較大的對象，使用頻率相對較高的對象，那么使用SoftReference會更好，因為這樣能讓緩存對象有更長的生命周期。

如果緩存對象都是比較小的對象，使用頻率一般或者相對較低，那么使用WeakReference會更合適。

當然，如果實在不知道選哪個，一般而言，用作緩存時使用WeakHashMap都不會有太大問題。

小結

• 弱引用是比軟引用更弱的引用類型
• 弱引用不能延長對象的生命周期，一旦對象只剩下弱引用，它就隨時可能會被回收
• 可以通過弱引用獲取對象的強引用
• 弱引用適合用作緩存