Java基础篇 - 强引用、弱引用、软引用和虚引用

前言
Java执行GC判断对象是否存活有两种方式其中一种是引用计数。

引用计数：Java堆中每一个对象都有一个引用计数属性，引用每新增1次计数加1，引用每释放1次计数减1。

在JDK 1.2以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于(reachable)可达状态，程序才能使用它。

从JDK 1.2版本开始，对象的引用被划分为4种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这4种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

正文
(一) 强引用(StrongReference)

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。如下：

    Object strongReference = new Object();
当内存空间不足时，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
如果强引用对象不使用时，需要弱化从而使GC能够回收，如下：

    strongReference = null;
显式地设置strongReference对象为null，或让其超出对象的生命周期范围，则gc认为该对象不存在引用，这时就可以回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于GC算法。

    public void test() {
        Object strongReference = new Object();
        // 省略其他操作
    }

在一个方法的内部有一个强引用，这个引用保存在Java栈中，而真正的引用内容(Object)保存在Java堆中。
当这个方法运行完成后，就会退出方法栈，则引用对象的引用数为0，这个对象会被回收。

但是如果这个strongReference是全局变量时，就需要在不用这个对象时赋值为null，因为强引用不会被垃圾回收。

ArrayList的Clear方法：

在ArrayList类中定义了一个elementData数组，在调用clear方法清空数组时，每个数组元素被赋值为null。
不同于elementData=null，强引用仍然存在，避免在后续调用add()等方法添加元素时进行内存的重新分配。
使用如clear()方法内存数组中存放的引用类型进行内存释放特别适用，这样就可以及时释放内存。

(二) 软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有软引用，则内存空间充足时，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

    // 强引用
    String strongReference = new String("abc");
    // 软引用
    String str = new String("abc");
    SoftReference softReference = new SoftReference(str);

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用。如果软引用所引用对象被垃圾回收，JAVA虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

    ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    String str = new String("abc");
    SoftReference softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue);

    str = null;
    // Notify GC
    System.gc();

    System.out.println(softReference.get()); // abc

    Reference reference = referenceQueue.poll();
    System.out.println(reference); //null

注意：软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，JVM什么时候扫描回收对象是JVM自己的状态决定的。就算扫描到软引用对象也不一定会回收它，只有内存不够的时候才会回收。

当内存不足时，JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

    if(JVM内存不足) {
        // 将软引用中的对象引用置为null
        str = null;
        // 通知垃圾回收器进行回收
        System.gc();
    }

也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前回收软引用对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软引用对象。对那些刚构建的或刚使用过的“较新的”软对象会被虚拟机尽可能保留，这就是引入引用队列ReferenceQueue的原因。

应用场景：

浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了。

如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建；
如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出。
这时候就可以使用软引用，很好的解决了实际的问题：   

 // 获取浏览器对象进行浏览
    Browser browser = new Browser();
    // 从后台程序加载浏览页面
    BrowserPage page = browser.getPage();
    // 将浏览完毕的页面置为软引用
    SoftReference softReference = new SoftReference(page);

    // 回退或者再次浏览此页面时
    if(softReference.get() != null) {
        // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
        page = softReference.get();
    } else {
        // 内存不足，软引用的对象已经回收
        page = browser.getPage();
        // 重新构建软引用
        softReference = new SoftReference(page);
    }

(三) 弱引用(WeakReference)

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

    String str = new String("abc");
    WeakReference weakReference = new WeakReference<>(str);
    str = null;

JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

    str = null;
    System.gc();

注意：如果一个对象是偶尔(很少)的使用，并且希望在使用时随时就能获取到，但又不想影响此对象的垃圾收集，那么你应该用Weak Reference来记住此对象。

下面的代码会让一个弱引用再次变为一个强引用：

    String str = new String("abc");
    WeakReference weakReference = new WeakReference<>(str);
    // 弱引用转强引用
    String strongReference = weakReference.get();

同样，弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

简单测试：

GCTarget.java

public class GCTarget {
    // 对象的ID
    public String id;

    // 占用内存空间
    byte[] buffer = new byte[1024];

    public GCTarget(String id) {
        this.id = id;
    }

    protected void finalize() throws Throwable {
        // 执行垃圾回收时打印显示对象ID
        System.out.println("Finalizing GCTarget, id is : " + id);
    }
}

GCTargetWeakReference.java

public class GCTargetWeakReference extends WeakReference {
    // 弱引用的ID
    public String id;

    public GCTargetWeakReference(GCTarget gcTarget,
              ReferenceQueue queue) {
        super(gcTarget, queue);
        this.id = gcTarget.id;
    }

    protected void finalize() {
        System.out.println("Finalizing GCTargetWeakReference " + id);
    }
}

WeakReferenceTest.java

public class WeakReferenceTest {
    // 弱引用队列
    private final static ReferenceQueue REFERENCE_QUEUE = new ReferenceQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        LinkedList gcTargetList = new LinkedList<>();

        // 创建弱引用的对象，依次加入链表中
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            GCTarget gcTarget = new GCTarget(String.valueOf(i));
            GCTargetWeakReference weakReference = new GCTargetWeakReference(gcTarget,
                REFERENCE_QUEUE);
            gcTargetList.add(weakReference);

            System.out.println("Just created GCTargetWeakReference obj: " +
                gcTargetList.getLast());
        }

        // 通知GC进行垃圾回收
        System.gc();

        try {
            // 休息几分钟，等待上面的垃圾回收线程运行完成
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 检查关联的引用队列是否为空
        Reference reference;
        while((reference = REFERENCE_QUEUE.poll()) != null) {
            if(reference instanceof GCTargetWeakReference) {
                System.out.println("In queue, id is: " +
                    ((GCTargetWeakReference) (reference)).id);
            }
        }
    }
}

运行可验证WeakReference对象的生命周期基本由垃圾回收器决定，一旦垃圾回收线程发现了弱引用对象，在下一次GC过程中就会对其进行回收。

(四) 虚引用(PhantomReference)

虚引用顾名思义，就是形同虚设。与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

应用场景：

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。
虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：

虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

    String str = new String("abc");
    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
    // 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联
    PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);

程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要进行垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

总结
Java中4种引用的级别和强度由高到低依次为：强引用 -> 软引用 -> 弱引用 -> 虚引用

当垃圾回收器回收时，某些对象会被回收，某些不会被回收。垃圾回收器会从根对象Object来标记存活的对象，然后将某些不可达的对象和一些引用的对象进行回收。

通过表格来说明一下，如下：