一文讲透java弱引用以及使用场景

概念

大部分情况下我们看到是强引用，比如下面这一行:

String str1 = new String("abc");

变量str1被用来存放一个string对象的强引用上。强引用在你正在使用时这个对象时，一般是不会被垃圾回收器回收的。当出现内存空间不足时，虚拟机不会释放强引用的对象占用的空间，而是选择抛出异常（OOM）。

什么时候会回收强引用的空间呢，就是没有引用的时候，比如你这样写：

str1 = null

GC在适当的时候就会回收str1指向的空间。

而弱引用（Weak Reference）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时，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。

java中使用弱引用的语法是：

String str1 = new String("abc");
WeakReference weakReference = new WeakReference<>(str1);

深入原理

我们先来通过一个案例，看下gc对于弱引用的回收策略。

public class App {

    public static WeakReference weakReference1;

    public static void main(String[] args) {

        test1();
        //test1外部，hello对象作用域结束，没有强引用指向"value"了。只有一个弱引用指向"value"
        System.out.println("未进行gc时，只有弱引用指向value内存区域：" + weakReference1.get());

        //此时gc时会回收弱引用
        System.gc();
        
        //此时输出都为nuill
        System.out.println("进行gc时，只有弱引用指向value内存区域：" + weakReference1.get());

    }

    public static void test1() {
        //hello对象强引用"value"
        String hello = new String("value");

        //weakReference1对象弱引用指向"value"
        weakReference1 = new WeakReference<>(hello);

        //在test1内部调用gc，此时gc不会回收弱引用，因为hello对象强引用"value"
        System.gc();
        System.out.println("进行gc时，强引用与弱引用同时指向value内存区域：" + weakReference1.get());

    }

}

运行的结果：

进行gc时，强引用与弱引用同时指向value内存区域：value
未进行gc时，只有弱引用指向value内存区域：value
进行gc时，只有弱引用指向value内存区域：null

这里有个前置知识说下，当要获得WeakReference的object时, 首先需要判断它是否已经被GC回收，若被收回，则下列返回值为空：

weakReference1.get();

根据这个结果，我们可以得出这样的结论：

• 当有强引用指向value内存区域时，即使进行gc，弱引用也不会被释放，对象空间不回被回收。

• 当无强引用指向value内存区域是，进行gc，弱引用会被释放，对象空间将会执行回收流程。

我们接着从源码层面看下弱引用。首先引入一个概念叫gc的可达性。因为本篇文章并不是专门讲gc的，所以我这里并不打算展开太多这部分，知识一句话概括下gc可达性的概念。

GC决定一个对象是否可被回收，其基本思路是从GC Root开始向下搜索，如果对象与GC Root之间存在引用链，则对象是可达的，GC会根据是否可到达与可到达性决定对象是否可以被回收。

public class WeakReference extends Reference {

    /**
     * Creates a new weak reference that refers to the given object.  The new
     * reference is not registered with any queue.
     *
     * @param referent object the new weak reference will refer to
     */
    public WeakReference(T referent) {
        super(referent);
    }

    /**
     * Creates a new weak reference that refers to the given object and is
     * registered with the given queue.
     *
     * @param referent object the new weak reference will refer to
     * @param q the queue with which the reference is to be registered,
     *          or null if registration is not required
     */
    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue q) {
        super(referent, q);
    }

}

WeakReference源码很简单，所以大部分逻辑都在父类Reference中。Reference类中有个核心的类是ReferenceQueue，这类的注释是这样写的：

Reference queues, to which registered reference objects are appended by the garbage collector after the appropriate reachability changes are detected.

翻译过来大概意思是，在检测到对象的可达性发生改变后，垃圾回收器就将已注册的引用对象添加到Reference queues队列中。

这个类有三个public方法，enqueue,poll和remove。标准的队列操作，这个很简单不展开。

然后再回到Reference类，它是这样定义的：

/**
 * Abstract base class for reference objects.  This class defines the
 * operations common to all reference objects.  Because reference objects are
 * implemented in close cooperation with the garbage collector, this class may
 * not be subclassed directly.
 *
 * @author   Mark Reinhold
 * @since    1.2
 */

public abstract class Reference {

首先它是一个抽象类，意味着你不能直接创建此类的实例。注释的意思是，这是引用对象的抽象基类，这个类定义了引用对象的常用操作。引用对象的实现一般都和垃圾回收器密切相关。

这里有个很重要的信息就是这个类和垃圾回收密切相关。

一个reference的实例有四种状态，

Active

这是一个受会受到GC的特别关注的状态，当GC察觉到引用的可达性变化为“合适”的状态之后，reference实例的状态将变化为Pending或Inactive，到底转化为Pending状态还是Inactive状态取决于此Reference对象创建时是否注册了queue.如果注册了queue，则将添加此实例到pending-Reference list中。而新创建的Reference实例的状态是Active。

Pending

在pending-Reference list中等待着被Reference-handler 线程入队列queue中的元素处于pending状态。没有注册queue的实例是永远不可能到达这一状态。

Enqueued

当实例创建的时候加入了队列后的状态。当实例被从ReferenceQueue中移除时，它的状态变为Inactive。没有注册ReferenceQueue的不可能到达这一状态的。

Inactive

终态。一旦一个实例变为Inactive，则这个状态永远都不会再被改变了。

掌握了这四个状态，继续往下看源码，

volatile ReferenceQueue queue;

这个queue是通过构造函数传入的，表示创建一个Reference实例时，要将其注册到那个queue上。

然后继续看有个很重要的类，

private static class ReferenceHandler extends Thread {
...


static {
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        for (ThreadGroup tgn = tg;
             tgn != null;
             tg = tgn, tgn = tg.getParent());
        Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");
        /* If there were a special system-only priority greater than
         * MAX_PRIORITY, it would be used here
         */
        handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        handler.setDaemon(true);
        handler.start();

        // provide access in SharedSecrets
        SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() {
            @Override
            public boolean tryHandlePendingReference() {
                return tryHandlePending(false);
            }
        });
    }
    ...

根据代码，我们知道这个线程处理类具有最高的优先级，并且是daemon状态在跑。这个线程的逻辑就是：不断的从Reference构成的pending链表上获取Reference对象，如果pending不为null，则将pending的对象进行clean，如果注册的时候有queue就进行enqueue，否则线程进行wait状态。

基于以上分析，我们可以总结下Reference的机制：

pending是由JVM来赋值的，当Reference内部的referent对象的可达状态发生改变时，JVM会将Reference对象放入到pending链表中。然后启动一个ReferenceHandler线程来处理，处理的逻辑就是调用Cleaner#clean，然后根据注册时候是否有队列决定是否调用ReferenceQueue#enqueue方法进行处理。

应用案例解析

弱引用一般用在什么场合呢？我们可以通过一些常见的组件的源码来分析下。来看看常见的threadlocal的源码关于弱引用的使用。

threadLocal是一个线程本地变量，每个线程维护自己的变量副本，它的实现原理简单来讲就是每个线程Thread类都有个属性ThreadLocalMap，Map是自定义实现的Entry[]数组结构，所以可以维护该线程的多个ThreadLocal变量。

图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key的。

既然说是Entry，必然有key和value。其中Key即是ThreadLocal变量本身，Value则是具体该线程中的变量真实的副本值。代码如下：

static class ThreadLocalMap {

        /**
         * The entries in this hash map extend WeakReference, using
         * its main ref field as the key (which is always a
         * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
         * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
         * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
         * as "stale entries" in the code that follows.
         */
        static class Entry extends WeakReference> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

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

然后你会注意到，Entry的Key即ThreadLocal对象是采用弱引用引入的。为什么ThreadLocalMap使用弱引用存储ThreadLocal呢？

还是看上面那张图。

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统 GC 的时候，这个ThreadLocal会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程迟迟不结束的话（因为大部分时候我们用的都是线程池，核心线程都是长期驻留的），这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：

Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value

永远无法回收，造成内存泄漏。这样看，似乎是弱引用导致了内存泄漏？

事实上是，无论这里使用强引用还是弱引用，都有可能造成内存泄漏。如果key 使用强引用：引用的ThreadLocal的对象如果置为null，被回收了，但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal不会被回收，导致Entry内存泄漏。

反过来，如果key使用了弱引用，当jvm发现内存不足时，会自动回收弱引用指向的实例内存，也就是回收对ThreadLocal对象。但是这个时候value还是存在的。不过没有关系，看源码你会发行在调用get或者set操作的时候，都有机会执行回收无效entry的操作。