一文讀懂java中的Reference和引用類型
簡介
java中有值類型也有引用類型，引用類型一般是針對於java中對象來說的，今天介紹一下java中的引用類型。java為引用類型專門定義了一個類叫做Reference。Reference是跟java垃圾回收機制息息相關的類，通過探討Reference的實現可以更加深入的理解java的垃圾回收是怎么工作的。
本文先從java中的四種引用類型開始，一步一步揭開Reference的面紗。
java中的四種引用類型分別是：強引用，軟引用，弱引用和虛引用。
強引用Strong Reference
java中的引用默認就是強引用，任何一個對象的賦值操作就產生了對這個對象的強引用。
我們看一個例子：
public class StrongReferenceUsage {
@Test
public void stringReference(){
Object obj = new Object();
}
}
上面我們new了一個Object對象，並將其賦值給obj，這個obj就是new Object()的強引用。
強引用的特性是只要有強引用存在，被引用的對象就不會被垃圾回收。
軟引用Soft Reference
軟引用在java中有個專門的SoftReference類型，軟引用的意思是只有在內存不足的情況下，被引用的對象才會被回收。
先看下SoftReference的定義：
public class SoftReference<T> extends Reference<T>
SoftReference繼承自Reference。它有兩種構造函數：
public SoftReference(T referent)
和：
public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q)
第一個參數很好理解，就是軟引用的對象，第二個參數叫做ReferenceQueue，是用來存儲封裝的待回收Reference對象的，ReferenceQueue中的對象是由Reference類中的ReferenceHandler內部類進行處理的。
我們舉個SoftReference的例子：
@Test
public void softReference(){
Object obj = new Object();
SoftReference<Object> soft = new SoftReference<>(obj);
obj = null;
log.info("{}",soft.get());
System.gc();
log.info("{}",soft.get());
}
輸出結果：
22:50:43.733 [main] INFO com.flydean.SoftReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
22:50:43.749 [main] INFO com.flydean.SoftReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
可以看到在內存充足的情況下，SoftReference引用的對象是不會被回收的。
弱引用weak Reference
weakReference和softReference很類似，不同的是weekReference引用的對象只要垃圾回收執行，就會被回收，而不管是否內存不足。
同樣的WeakReference也有兩個構造函數：
public WeakReference(T referent)；
public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q)；
含義和SoftReference一致，這里就不再重復表述了。
我們看下弱引用的例子：
@Test
public void weakReference() throws InterruptedException {
Object obj = new Object();
WeakReference<Object> weak = new WeakReference<>(obj);
obj = null;
log.info("{}",weak.get());
System.gc();
log.info("{}",weak.get());
}
輸出結果：
22:58:02.019 [main] INFO com.flydean.WeakReferenceUsage - java.lang.Object@71bc1ae4
22:58:02.047 [main] INFO com.flydean.WeakReferenceUsage - null
我們看到gc過后，弱引用的對象被回收掉了。
虛引用PhantomReference
PhantomReference的作用是跟蹤垃圾回收器收集對象的活動，在GC的過程中，如果發現有PhantomReference，GC則會將引用放到ReferenceQueue中，由程序員自己處理，當程序員調用ReferenceQueue.pull()方法，將引用出ReferenceQueue移除之后，Reference對象會變成Inactive狀態，意味着被引用的對象可以被回收了。
和SoftReference和WeakReference不同的是，PhantomReference只有一個構造函數，必須傳入ReferenceQueue：
public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q)
看一個PhantomReference的例子：
@Slf4j
public class PhantomReferenceUsage {
@Test
public void usePhantomReference(){
ReferenceQueue<Object> rq = new ReferenceQueue<>();
Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(obj,rq);
obj = null;
log.info("{}",phantomReference.get());
System.gc();
Reference<Object> r = (Reference<Object>)rq.poll();
log.info("{}",r);
}
}
運行結果：
07:06:46.336 [main] INFO com.flydean.PhantomReferenceUsage - null
07:06:46.353 [main] INFO com.flydean.PhantomReferenceUsage - java.lang.ref.PhantomReference@136432db
我們看到get的值是null，而GC過后，poll是有值的。
因為PhantomReference引用的是需要被垃圾回收的對象，所以在類的定義中，get一直都是返回null：
public T get() {
return null;
}
Reference和ReferenceQueue
講完上面的四種引用,接下來我們談一下他們的父類Reference和ReferenceQueue的作用。
Reference是一個抽象類，每個Reference都有一個指向的對象，在Reference中有5個非常重要的屬性：referent，next，discovered，pending，queue。
private T referent; /* Treated specially by GC */
volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
Reference next;
transient private Reference<T> discovered; /* used by VM */
private static Reference<Object> pending = null;
每個Reference都可以看成是一個節點，多個Reference通過next，discovered和pending這三個屬性進行關聯。
先用一張圖來對Reference有個整體的概念：
referent就是Reference實際引用的對象。
通過next屬性，可以構建ReferenceQueue。
通過discovered屬性，可以構建Discovered List。
通過pending屬性，可以構建Pending List。
四大狀態
在講這三個Queue/List之前，我們先講一下Reference的四個狀態：
從上面的圖中，我們可以看到一個Reference可以有四個狀態。
因為Reference有兩個構造函數，一個帶ReferenceQueue,一個不帶。
Reference(T referent) {
this(referent, null);
}
Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
this.referent = referent;
this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
}
對於帶ReferenceQueue的Reference，GC會把要回收對象的Reference放到ReferenceQueue中，后續該Reference需要程序員自己處理（調用poll方法）。
不帶ReferenceQueue的Reference，由GC自己處理，待回收的對象其Reference狀態會變成Inactive。
創建好了Reference，就進入active狀態。
active狀態下，如果引用對象的可到達狀態發送變化就會轉變成Inactive或Pending狀態。
Inactive狀態很好理解，到達Inactive狀態的Reference狀態不能被改變，會等待GC回收。
Pending狀態代表等待入Queue，Reference內部有個ReferenceHandler，會調用enqueue方法，將Pending對象入到Queue中。
入Queue的對象，其狀態就變成了Enqueued。
Enqueued狀態的對象，如果調用poll方法從ReferenceQueue拿出，則該Reference的狀態就變成了Inactive，等待GC的回收。
這就是Reference的一個完整的生命周期。
三個Queue/List
有了上面四個狀態的概念，我們接下來講三個Queue/List：ReferenceQueue，discovered List和pending List。
ReferenceQueue在講狀態的時候已經講過了，它本質是由Reference中的next連接而成的。用來存儲GC待回收的對象。
pending List就是待入ReferenceQueue的list。
discovered List這個有點特別，在Pending狀態時候，discovered List就等於pending List。
在Active狀態的時候，discovered List實際上維持的是一個引用鏈。通過這個引用鏈，我們可以獲得引用的鏈式結構，當某個Reference狀態不再是Active狀態時，需要將這個Reference從discovered List中刪除。
WeakHashMap
最后講一下WeakHashMap，WeakHashMap跟WeakReference有點類似，在WeakHashMap如果key不再被使用，被賦值為null的時候，該key對應的Entry會自動從WeakHashMap中刪除。
我們舉個例子：
@Test
public void useWeakHashMap(){
WeakHashMap<Object, Object> map = new WeakHashMap<>();
Object key1= new Object();
Object value1= new Object();
Object key2= new Object();
Object value2= new Object();
map.put(key1, value1);
map.put(key2, value2);
log.info("{}",map);
key1 = null;
System.gc();
log.info("{}",map);
}
輸出結果：
[main] INFO com.flydean.WeakHashMapUsage - {java.lang.Object@14899482=java.lang.Object@2437c6dc, java.lang.Object@11028347=java.lang.Object@1f89ab83}
[main] INFO com.flydean.WeakHashMapUsage - {java.lang.Object@14899482=java.lang.Object@2437c6dc}
可以看到gc過后，WeakHashMap只有一個Entry了。
總結
本文講解了4個java中的引用類型，並深入探討了Reference的內部機制，感興趣的小伙伴可以留言一起討論。
本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-collections
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