Java中的引用类型和使用场景

作者：Grey

原文地址：Java中的引用类型和使用场景

Java中的引用类型有哪几种？

Java中的引用类型分成强引用， 软引用, 弱引用, 虚引用。

强引用

没有引用指向这个对象，垃圾回收会回收

package git.snippets.juc;

import java.io.IOException;

public class NormalRef {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        M m = new M();
        m = null;
        System.gc();
        System.in.read();
    }
    static class M {
        M() {}
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            System.out.println("finalized");
        }
    }
}

软引用

当有一个对象被一个软引用所指向的时候，只有系统内存不够用的时候，才会被回收，可以用做缓存（比如缓存大图片）

示例如下代码：注：执行以下方法的时候，需要把VM options设置为-Xms20M -Xmx20M。

package git.snippets.juc;

import java.io.IOException;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * heap将装不下，这时候系统会垃圾回收，先回收一次，如果不够，会把软引用干掉
 * 软引用，适合做缓存
 * 示例需要把Vm options设置为:-Xms20M -Xmx20M
 */
public class SoftRef {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SoftReference<byte[]> reference = new SoftReference<>(new byte[1024 * 1024 * 10]);
        System.out.println(reference.get());
        System.gc();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(reference.get());
        byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 10];
        System.out.println(reference.get());
        System.in.read();
    }
}

上述代码在第一次执行System.out.println(reference.get())时候，由于堆的最大最小值都是20M，而我们分配的byte数组是10M，没有超过最大堆内存，所以执行垃圾回收，软引用不被回收，后续又调用了byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 10];再次分配了10M内存，此时堆内存已经超过设置的最大值，会进行回收，所以最后一步的System.out.println(reference.get());无法get到数据。

弱引用

只要垃圾回收，就会回收。如果有一个强引用指向弱引用中的这个对象，如果这个强引用消失，这个对象就应该被回收。一般用在容器里面。

代码示例如下：

package git.snippets.juc;

import java.lang.ref.WeakReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 弱引用遭到gc就会回收
 * ThreadLocal应用，缓存应用，WeakHashMap
 */
public class WeakRef {
    public static void main(String[] args) {
        WeakReference<T> reference = new WeakReference<>(new T());
        System.out.println(reference.get());
        System.gc();
        System.out.println(reference.get());
    }
    static class T {
        T() {}
        @Override
        protected void finalize() {
            System.out.println("finalized");
        }
    }
}

如果执行了一次GC，reference.get() 获取到的值即为空。

弱引用的使用场景

弱引用的一个典型应用场景就是ThreadLocal，以下是ThreadLocal的的简要介绍

set方法

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

get方法

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

ThreadLocalMap是当前线程的一个成员变量，所以，其他线程无法读取当前线程设置的ThreadLocal值。

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocal的主要应用场景

场景一：每个线程需要一个独享的对象：假设有100个线程都需要用到SimpleDateFormat类来处理日期格式，如果共用一个SimpleDateFormat，就会出现线程安全问题，导致数据出错，如果加锁，就会降低性能，此时使用ThreadLocal，给每个线程保存一份自己的本地SimpleDateFormat，就可以同时保证线程安全和性能需求。

场景二：每个线程内部保存全局变量，避免传参麻烦：假设一个线程的作用是拿到前端用户信息，逐层执行Service1，Service2，Service3，Service4层的业务逻辑，其中每个业务层都会用到用户信息，此时一个解决办法就是将User信息对象作为参数层层传递，但是这样会导致代码冗余且不利于维护。此时可以将User信息对象放入当前线程的Threadlocal中，就变成了全局变量，在每一层业务层中，需要使用的时候直接从Threadlocal中获取即可。

场景三：Spring的声明式事务，数据库连接写在配置文件，多个方法可以支持一个完整的事务，保证多个方法是用的同一个数据库连接（其实就是放在ThreadLocal里面）

了解了ThreadLocal简要介绍以后，我们可以深入理解一下ThreadLocal的一个内部原理，前面提到，ThreadLocal的set方法实际上是往当前线程的一个threadLocals表中插入一条记录，而这个表中的记录都存在一个Entry对象中，这个对象有一个key和一个value，key就是当前线程的ThreadLocal对象。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

这个Entry对象继承了WeakReference, 且构造函数调用了super(k), 所以Entry中的key是通过一个弱引用指向的ThreadLocal，所以，我们在主方法中调用

ThreadLocal<Object> tl = new ThreadLocal<>();

tl是通过强引用指向这个ThreadLocal对象。

当前线程的threadLocalMap中的key是通过弱引用指向ThreadLocal对象，这样就可以保证，在tl指向空以后，这个ThreadLocal会被回收，否则，如果threadLocalMap中的key是强引用指向ThreadLocal对象话，这个ThreadLocal对象永远不会被回收。就会导致内存泄漏。

但是，即便key用弱引用指向ThreadLocal对象，key值被回收后，Entry中的value值就无法被访问到了，且value是通过强引用关联，所以，也会导致内存泄漏，所以，每次在ThreadLocal中的对象不用了，记得要调用remove方法，把对应的value也给清掉。

虚引用

用于管理堆外内存回收

虚引用关联了一个对象，以及一个队列，只要垃圾回收，虚引用就被回收，一旦虚引用被回收，虚引用会被装到这个队列，并会收到一个通知（如果有值入队列，会得到一个通知）所以，如果想知道虚引用何时被回收，就只需要不断监控这个队列是否有元素加入进来了。

虚引用里面关联的对象用get方法是无法获取的。

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

// 配置 -Xms20M -Xmx20M
public class PhantomRef {
    private static final List<Object> LIST = new LinkedList<>();
    private static final ReferenceQueue<P> QUEUE = new ReferenceQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        PhantomReference<P> phantomReference = new PhantomReference<>(new P(), QUEUE);
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                LIST.add(new byte[1024 * 1024]);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println(phantomReference.get());
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Reference<? extends P> poll = QUEUE.poll();
                if (poll != null) {
                    System.out.println("--- 虚引用对象被jvm回收了 ---- " + poll);
                }
            }
        }).start();

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    static class P {
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            System.out.println("finalized");
        }
    }
}

虚引用的应用场景

JDK的NIO包中有一个DirectByteBuffer， 这个buffer指向的是堆外内存，所以当这个buffer设置为空的时候，Java的垃圾回收无法回收，所以，可以用虚引用来管理这个buffer，当我们检测到这个虚引用被垃圾回收器回收的时候，可以做出相应的处理，去回收堆外内存。