让人心疼的Java虚引用！

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在Java的世界里，对象的存在层次，也有三六九等，充满了阶层之间的嘲弄。强软弱虚各种引用，对于熟悉Java的同学一定不会感到陌生，它们随着等级的降低，越来越没存在感。平常使用的对象，大多数就是强引用的;而软引用和弱引用，则经常在一些堆内缓存框架中用到。

那虚引用呢?传说中的幽灵引用，是不是就如同它的名字一样，一无是处呢?

三种引用

首先，我们来回顾一下其他三种引用的类型和用途。

Strong references

当内存空间不足，系统撑不住了，JVM 就会抛出 OutOfMemoryError 错误。即使程序会异常终止，这种对象也不会被回收。这种引用属于最普通最强硬的一种存在，只有在和 GC Roots 断绝关系时，才会被消灭掉。

这种引用，你每天的编码都在用。例如：new 一个普通的对象。

 
 
 
 

  
  
  
  
Object obj = new Object()
 
 
 
 

这种方式可能是有问题的。假如你的系统被大量用户(User)访问，你需要记录这个 User 访问的时间。可惜的是，User 对象里并没有这个字段，所以我们决定将这些信息额外开辟一个空间进行存放。

Soft references

软引用用于维护一些可有可无的对象。在内存足够的时候，软引用对象不会被回收，只有在内存不足时，系统则会回收软引用对象，如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

可以看到，这种特性非常适合用在缓存技术上。比如网页缓存、图片缓存等。

Guava 的 CacheBuilder，就提供了软引用和弱引用的设置方式。在这种场景中，软引用比强引用安全的多。

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，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。

Weak references

弱引用对象相比较软引用，要更加无用一些，它拥有更短的生命周期。

当 JVM 进行垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。弱引用拥有更短的生命周期，在 Java 中，用 java.lang.ref.WeakReference 类来表示。

怪异的虚引用

以上几个引用级别都很好理解，但是虚引用是个例外。虚引用可以使用下面的代码定义：

 
 
 
 

  
  
  
  
Object  object = new Object();
  
  
  
  
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
  
  
  
  
// 虚引用，必须与一个引用队列关联
  
  
  
  
PhantomReference pr = new PhantomReference(object, queue);
 
 
 
 

但是当你想取出其中的值时(get)，得到的却总是null。

 
 
 
 

  
  
  
  
//JDK源码   
  
  
  
  
/**
  
  
  
  
     * Returns this reference object's referent.  Because the referent of a
  
  
  
  
     * phantom reference is always inaccessible, this method always returns
  
  
  
  
     * {@code null}.
  
  
  
  
     *
  
  
  
  
     * @return {@code null}
  
  
  
  
     */
  
  
  
  
    public T get() {
  
  
  
  
        return null;
  
  
  
  
    }
 
 
 
 

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

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，就会在回收对象之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

程序如果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。

桃花源深处

在hotspot的jvm中，有一个叫做cleaner的类，其实就是虚引用典型的应用。可以看到Cleaner是直接简单粗暴的继承了PhantomReference，所以它本质上就是一个虚引用，只不过多了一些便捷的操作。

那么这个类是在什么地方用到的呢?大家手上应该都有jdk的源代码，追踪一下，发现最后竟然是DirectByteBuffer用到了它。

直接内存，一直是一个看起来非常高大上的名词，基本上和高性能挂钩，但也容易产生内存泄漏。由于直接内存，是属于堆外内存的，所以垃圾回收的时候，就不能靠JVM的那一套垃圾回收算法进行清理。

事实上，由于DirectByteBuffer可能会被使用较长时间，熬过了年轻代的各种回收，就会进入老年代。这时候就比较麻烦了，这些引用对象，要在下一轮Old GC或者Full GC才能触发，如果你的老年代空间较大，触发回收的操作就需要等很久很久。问题是，在这段时间内，虽然这些堆外内存不再使用了，但它仍然占用着较大的物理空间，最后造成严重的浪费甚至崩溃。

对堆外内存不是很熟悉的同学，可以看我以前的一张图。或者直接看这篇文章。通过-XX:MaxDirectMemorySize可以限制直接内存的使用上限。

《一图解千愁，jvm内存从来没有这么简单过!》

那么这些堆外内存是如何进行回收的呢?这就是Cleaner的作用。Cleaner通过next和prev构造了一个典型的链表，但它本身是没有任何逻辑的，因为它的清理逻辑都在thunk方法中。

 
 
 
 

  
  
  
  
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
  
  
  
  

  
  
  
  
public void clean() {
  
  
  
  
        if (remove(this)) {
  
  
  
  
            try {
  
  
  
  
                this.thunk.run();
 
 
 
 

也就是Deallocator = De allocator。其中，传入的base，就是靠unsafe类申请的堆外内存地址引用(仅仅是个地址)，有了引用和容量，其实我们就能够在回收的时候定位到真正的堆外内存块。就像Deallocator做的一样。

 
 
 
 

  
  
  
  
public void run() {
  
  
  
  
  if (address == 0) {
  
  
  
  
    // Paranoia
  
  
  
  
    return;
  
  
  
  
  }
  
  
  
  
  unsafe.freeMemory(address);
  
  
  
  
  address = 0;
  
  
  
  
  Bits.unreserveMemory(size, capacity);
  
  
  
  
}
 
 
 
 

机制上没什么问题，关键要看它们是怎么联系起来的。这种问题，当然是要靠其他线程完成，这里就是ReferenceHandler。很熟悉的名字，你每次使用jstack命令导出堆栈，都会看到它。

 
 
 
 

  
  
  
  
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();
 
 
 
 

真正去工作的方法，是tryHandlePending，然后在这里，调用Cleaner的clean方法，进而调用真正的清理方法，释放堆外内存。它会从虚引用注册的队列里，取出新的对象，然后判断是不是Cleaner类型，如果是，就进行一次清理。

End

这就是虚引用。它存在的唯一目的，就是在回收的时候，能够被感知到，以便进行更深层次的清理。在commons-io包的FileCleaningTracker类中，同样有继承了虚引用的Tracker类，用来跟踪后续文件的一些清理工作。这个没存在感的小小虚引用，默默的承担起最后一道防线，是系统正常运行的有效保证。

不要小看它，它无处不在。因为你的每一个JVM进程，都跑着一个叫做Reference Handler的线程呢。

作者简介：小姐姐味道 (xjjdog)，一个不允许程序员走弯路的公众号。聚焦基础架构和Linux。十年架构，日百亿流量，与你探讨高并发世界，给你不一样的味道。我的个人微信xjjdog0，欢迎添加好友，进一步交流。

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