JDK原始碼分析（8）之 Reference 實現和應用

JDK 原始碼分析 · 發表 2019-01-31 18:36:00

摘要：在閱讀本文之前最好對 Reference 框架有一個整體的把握，可以參考我上一篇部落格Reference 框架概覽；本文主要講了 Reference 的子類實現和應用（ SoftReference，WeakReference，PhantomReference ）； Java 引用的...

在閱讀本文之前最好對 Reference 框架有一個整體的把握，可以參考我上一篇部落格Reference 框架概覽；本文主要講了 Reference 的子類實現和應用（ SoftReference，WeakReference，PhantomReference ）；

Java 引用的強弱關係： StrongReference > SoftReference > WeakReference > PhantomReference

一、StrongReference

強引用：我們通常使用的引用，形如 Object o = new Object();

此時從 stack 中的 o，到 heap 中的 Object 就是強引用；其他引用強弱的判定規則，可以檢視我上一篇部落格Reference 框架概覽；

二、SoftReference

軟引用：可以用來表示一些有用但非必須的物件；JVM 會根據使用率和剩餘堆空間大小來公共決定什麼時候回收 SoftReference；JVM 保證在丟擲 OOM 之前會再次掃描回收這些軟引用，如果回收後記憶體仍不足才會丟擲 OOM；所以在原始碼的註釋中也寫了 SoftReference 適合實現記憶體敏感的快取；

public class SoftReference<T> extends Reference<T> {
/**
* Timestamp clock, updated by the garbage collector
*/
static private long clock;

/**
* Timestamp updated by each invocation of the get method.The VM may use
* this field when selecting soft references to be cleared, but it is not
* required to do so.
*/
private long timestamp;

public SoftReference(T referent) {
super(referent);
this.timestamp = clock;
}

public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
this.timestamp = clock;
}

public T get() {
T o = super.get();
if (o != null && this.timestamp != clock)
this.timestamp = clock;
return o;
}

}

看上面的程式碼，SoftReference 與 Reference 相比多了兩個時間戳 clock，timestamp ，並且會在每次 get 的時候更新時間戳；

static

回收策略

上面提到 SoftReference 的回收是由使用率和剩餘堆空間大小來公共決定的，那麼它是怎麼實現的呢？

openjdk/hotspot/src/share/vm/memory/referencePolicy.cpp

// Capture state (of-the-VM) information needed to evaluate the policy
void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
_max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
}

// The oop passed in is the SoftReference object, and not
// the object the SoftReference points to.
bool LRUCurrentHeapPolicy::should_clear_reference(oop p, jlong timestamp_clock) {
jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p);
assert(interval >= 0, "Sanity check");

// The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc.
if(interval <= _max_interval) {
return false;
}

return true;
}

根據上面的程式碼可以大致知道:

this.timestamp = clock;

我們可以簡單測試一下，啟動引數： -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2 -Xmx10M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc ；

-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=2 ：可以參照上面的計算過程調節 SoftReference 的回收頻率；
-Xmx10M ：為最大堆記憶體，同樣可以自行調節， -verbose:gc ：開啟 GC 日誌， -XX:+PrintCommandLineFlags ：列印 JVM 啟動引數；

private static void test03() throws InterruptedException {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};

Reference softRef = new SoftReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();

o = null;
System.gc();
log.info("o=null, referent:{}", softRef.get());

byte[] bytes = new byte[3 * 1024 * 1024];
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
Thread.sleep(2000);
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", softRef.get());
}

private static class Monitor extends Thread {
ReferenceQueue queue;

public Monitor(ReferenceQueue queue) {
this.queue = queue;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
try {
log.info("remove reference:{}", queue.remove().toString());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

// 列印：

[main] o=null, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:zhangsan
[main] After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.SoftReference@bcffe9a

根據不同的引數設定會出現不同的情況，大家可以自行調節引數，驗證上面的計算規則；另外如果 -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0 ，那麼 SoftReference 就應該和 WeakReference 差不多了，至於是否完全一致，就留到以後檢視 JVM 的時候再確定了；

三、WeakReference

弱引用：被弱引用關聯的物件只能生存到下一次 GC，當 GC 的時候無論記憶體是否足夠，使用是否頻繁都會被清除；同樣原始碼註釋裡面也寫了 WeakReference 適合實現 canonicalizing mappings，比如 WeakHashMap；

public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
public WeakReference(T referent) {
super(referent);
}

public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}
}

簡單測試，啟動引數： -Xmx300M -XX:+PrintCommandLineFlags -verbose:gc ；

private static void test04() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};

Reference ref = new WeakReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();

o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

// 列印：

[main]Before GC, referent:zhangsan
[main]After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.WeakReference@67ac4ff0

可以看到在記憶體足夠的時候，referent 被清除，WeakReference 在下次 GC 的時候隨機被清除，並且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；

四、PhantomReference

虛引用：最弱的一種引用關係，虛引用對一個物件的生命週期完全沒有影響，設定虛引用的唯一目的就是得到 referent 被回收的事件通知；

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
public T get() {
return null;
}

public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}
}

從原始碼也能看到 get 的時候，永遠返回 null；

同樣簡單測試一下，

private static void test06() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};

Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
new Monitor(queue).start();

o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

// 列印：

[main]Before GC, referent:null
[main]After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.PhantomReference@661a5fff

可以看到 PhantomReference.get() 始終為 null，並且當 referent 被回收的時候，並且 ReferenceQueue 也收到了事件通知；

此外 PhantomReference 和其他引用還有一個很大的不同，在 ReferenceQueue 中 JVM 並不會幫我們把 referent 欄位置為空；

private static void test07() {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
Object o = new Object() {
@Override
public String toString() {
return "zhangsan";
}
};

Reference ref = new PhantomReference(o, queue);
new Monitor2(queue).start();

o = null;
log.info("Before GC, referent:{}", ref.get());
System.gc();
log.info("After GC, referent:{}", ref.get());
}

private static class Monitor2 extends Thread {
ReferenceQueue queue;

public Monitor2(ReferenceQueue queue) {
this.queue = queue;
}

@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Reference ref = queue.poll();
log.info("remove reference:{}", ref);
if (ref != null) {
Field field = Reference.class.getDeclaredField("referent");
field.setAccessible(true);

log.info("ReferenceQueue get Referent:{}", field.get(ref));
ref.clear();
break;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

// 列印：

[main]Before GC, referent:null
[main]After GC, referent:null
[Thread-0] remove reference:null
[Thread-0] remove reference:java.lang.ref.PhantomReference@7b4cba2
[Thread-0] ReferenceQueue get Referent:zhangsan

這裡可以看到從 ReferenceQueue 中取出來的 Reference 仍然可以取到引用物件，即 referent；但是在其他引用中列印為 null，這裡可以將上面例子中的 Monitor 改為 Monitor2 測試；

Cleaner：在 Reference.tryHandlePending() 裡面提到的，主要用於替代 Object.finalize() ;

public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {
private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue<>();
static private Cleaner first = null;

private Cleaner
next = null,
prev = null;

private final Runnable thunk;

private Cleaner(Object referent, Runnable thunk) {
super(referent, dummyQueue);
this.thunk = thunk;
}

public static Cleaner create(Object ob, Runnable thunk) {
if (thunk == null)
return null;
return add(new Cleaner(ob, thunk));
}

private static synchronized Cleaner add(Cleaner cl) {
if (first != null) {
cl.next = first;
first.prev = cl;
}
first = cl;
return cl;
}

private static synchronized boolean remove(Cleaner cl) { }

public void clean() {
if (!remove(this))
return;
try {
thunk.run();
} catch (final Throwable x) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
if (System.err != null)
new Error("Cleaner terminated abnormally", x)
.printStackTrace();
System.exit(1);
return null;
}});
}
}
}

從程式碼可以看到，

next、prev
Reference.tryHandlePending()

總結

finalize

參考

http://www.importnew.com/21628.html

https://www.jianshu.com/p/95a4931ebf01

https://juejin.im/post/5bbfee46e51d450e5e0cba2f

JDK原始碼分析（8）之 Reference 實現和應用

一、StrongReference

二、SoftReference

回收策略

三、WeakReference

四、PhantomReference

總結

參考

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