彻底理解JVM常考题之分级引用模型

程序人生 21 2018-10-12 17:37

本文通过探析Java中的引用模型,分析比较强引用、软引用、弱引用、虚引用的概念及使用场景,知其然且知其所以然,希望给大家在实际开发实践、学习开源项目提供参考。

Java的引用

对于Java中的垃圾回收机制来说,对象是否被应该回收的取决于该对象是否被引用。因此,引用也是JVM进行内存管理的一个重要概念。Java中是JVM负责内存的分配和回收,这是它的优点(使用方便,程序不用再像使用C语言那样担心内存),但同时也是它的缺点(不够灵活)。由此,Java提供了引用分级模型,可以定义Java对象重要性和优先级,提高JVM内存回收的执行效率

关于引用的定义,在JDK1.2之前,如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址,就称为这块内存代表着一个引用;JDK1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)四种。

软引用对象和弱应用对象主要用于:当内存空间还足够,则能保存在内存之中;如果内存空间在垃圾收集之后还是非常紧张,则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的使用场景。

而虚引用对象用于替代不靠谱的finalize方法,可以获取对象的回收事件,来做资源清理工作。

对象生命周期

无分级引用对象生命周期

前面提到,分层引用的模型是用于内存回收,没有分级引用对象下,一个对象从创建到回收的生命周期可以简单地用下图概括:对象被创建,被使用,有资格被收集,最终被收集,阴影区域表示对象“强可达”时间:

彻底理解JVM常考题之分级引用模型-JEESNS

对象生命周期(无分级引用)

有分级引用对象生命周期

JDK1.2引入java.lang.ref程序包之后,对象的生命周期多了3个阶段,软可达,弱可达,虚可达,这些状态仅适用于符合垃圾回收条件的对象,这些对象处于非强引用阶段,而且需要基于java.lang.ref包中的相关的引用对象类来指示标明。

软可达

软可达对象用SoftReference来指示标明,并没有强引用,垃圾回收器会尽可能长时间地保留对象,但是会在抛出OutOfMemoryError异常之前收集它。

弱可达

弱可达对象用WeakReference来指示标明,并没有强引用或软引用,垃圾回收器会随时回收对象,并不会尝试保留它,但是会在抛出OutOfMemoryError异常之前收集它。

在对象回收阶段中,该对象在major collection期间被回收,但是可以在minor collection期间存活

虚可达

虚可达对象用PhantomReference来指示标明,它已经被标记选中进行垃圾回收并且它的finalizer(如果有)已经运行。在这种情况下,术语“可达”实际上是用词不当,因为您无法访问实际对象。

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对象生命周期(有分级引用)

对象生命周期图中添加三个新的可选状态会造成一些困惑。逻辑顺序上是从强可达到软,弱和虚,最终到回收,但实际的情况取决于程序创建的参考对象。但如果创建WeakReference但不创建SoftReference,则对象直接从强可达到弱到达最终到收集。

强引用

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,比如下面这段代码中的obj和str都是强引用:

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只要强引用还存在,垃圾收集器永远不会回收被引用的对象,即使在内存不足的情况下,JVM即使抛出OutOfMemoryError异常也不会回收这种对象。

实际使用上,可以通过把引用显示赋值为null来中断对象与强引用之前的关联,如果没有任何引用执行对象,垃圾收集器将在合适的时间回收对象。

例如ArrayList类的remove方法中就是通过将引用赋值为null来实现清理工作的:

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引用对象

介绍软引用、弱引用和虚引用之前,有必要介绍一下引用对象,

引用对象是程序代码和其他对象之间的间接层,称为引用对象。每个引用对象都围绕对象的引用构造,并且不能更改引用值。

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引用对象提供get()来获得其引用值的一个强引用,垃圾收集器可能随时回收引用值所指的对象。

一旦对象被回收,get()方法将返回null,要正确使用引用对象,下面使用SoftReference(软引用对象)作为参考示例:

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也就是说,使用时:

1、必须经常检查引用值是否为null

垃圾收集器可能随时回收引用对象,如果轻率地使用引用值,迟早会得到一个NullPointerException。

2、必须使用强引用来指向引用对象返回的值

垃圾收集器可能在任何时间回收引用对象,即使在一个表达式中间。

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3、必须持有引用对象的强引用

如果创建引用对象,没有持有对象的强引用,那么引用对象本身将被垃圾收集器回收。

4、当引用值没有被其他强引用指向时,软引用、弱引用和虚引用才会发挥作用,引用对象的存在就是为了方便追踪并高效垃圾回收。

软引用、弱引用和虚引用

引用对象的3个重要实现类位于java.lang.ref包下,分别是软引用SoftReference、弱引用WeakReference和虚引用PhantomReference。

软引用

软引用用来描述一些还有用但非必需的对象。对于软引用关联着的对象,在系统将要发生抛出OutOfMemoryError异常之前,将会把这些对象列入回收范围之内进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存,才会抛出OutOfMemoryError异常。在JDK1.2之后,提供了SoftReference类来实现软引用。

下面是一个使用示例:

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JDK文档中提到:软引用适用于对内存敏感的缓存:每个缓存对象都是通过访问的 SoftReference,如果JVM决定需要内存空间,那么它将清除回收部分或全部软引用对应的对象。如果它不需要空间,则SoftReference指示对象保留在堆中,并且可以通过程序代码访问。在这种情况下,当它们被积极使用时,它们被强引用,否则会被软引用。如果清除了软引用,则需要刷新缓存。

实际使用上,要除非缓存的对象非常大,每个数量级为几千字节,才值得考虑使用软引用对象。例如:实现一个文件服务器,它需要定期检索相同的文件,或者需要缓存大型对象图。如果对象很小,必须清除很多对象才能产生影响,那么不建议使用,因为清除软引用对象会增加整个过程的开销。

弱引用

弱引用也是用来描述非必需对象,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发送之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象

在JDK1.2之后,提供了WeakReference类来实现弱引用。

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可以看到被弱引用关联的对象,在gc之后被回收掉。

有意思的地方是,如果把上面代码中的:

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改为

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程序将输出

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这是因为使用Java的String直接赋值和使用new区别在于:

new 会在堆区创建一个可以被正常回收的对象。

String直接赋值,会在Java StringPool(字符串常量池)里创建一个String对象,存于pergmen(永生代区)中,通常不会被gc回收。

WeakHashMap

为了更方便使用弱引用,Java还提供了WeakHashMap,功能类似HashMap,内部实现是用弱引用对key进行包装,当某个key对象没有任何强引用指向,gc会自动回收key和value对象。

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程序输出:

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WeakHashMap比较适用于缓存的场景,例如Tomcat的缓存就用到。

引用队列

介绍虚引用之前,先介绍引用队列:

在使用引用对象时,通过判断get()方法返回的值是否为null来判断对象是否已经被回收,当这样做并不是非常高效,特别是当我们有很多引用对象,如果想找出哪些对象已经被回收,需要遍历所有所有对象。

更好的方案是使用引用队列,在构造引用对象时与队列关联,当gc(垃圾回收线程)准备回收一个对象时,如果发现它还仅有软引用(或弱引用,或虚引用)指向它,就会在回收该对象之前,把这个软引用(或弱引用,或虚引用)加入到与之关联的引用队列(ReferenceQueue)中。

如果一个软引用(或弱引用,或虚引用)对象本身在引用队列中,就说明该引用对象所指向的对象被回收了,所以要找出所有被回收的对象,只需要遍历引用队列。

当软引用(或弱引用,或虚引用)对象所指向的对象被回收了,那么这个引用对象本身就没有价值了,如果程序中存在大量的这类对象(注意,我们创建的软引用、弱引用、虚引用对象本身是个强引用,不会自动被gc回收),就会浪费内存。因此我们这就可以手动回收位于引用队列中的引用对象本身。

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程序输出:

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虚引用

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,不同于软引用和弱引用,虚引用不用于访问引用对象所指示的对象,相反,通过不断轮询虚引用对象关联的引用队列,可以得到对象回收事件。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生产时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。虽然这看起来毫无意义,但它实际上可以用来做对象回收时资源清理、释放,它比finalize更灵活,我们可以基于虚引用做更安全可靠的对象关联的资源回收。

finalize的问题

Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、而且根本不会保证它们会被执行

如果可用内存没有被耗尽,垃圾收集器不会运行,finalize方法也不会被执行。

性能问题

JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行。

对象再生问题

finalize方法中,可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用,从而达到对象再生的目的。

针对不靠谱finalize方法,完全可以使用虚引用来实现。在JDK1.2之后,提供了PhantomReference类来实现虚引用。

下面是简单的使用例子,通过访问引用队列可以得到对象的回收事件:

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比较常见的,可以基于虚引用实现JDBC连接池,锁的释放等场景。

以连接池为例,调用方正常情况下使用完连接,需要把连接释放回池中,但是不可避免有可能程序有bug,造成连接没有正常释放回池中。基于虚引用对Connection对象进行包装,并关联引用队列,就可以通过轮询引用队列检查哪些连接对象已经被GC回收,释放相关连接资源。具体实现已上传github的caison-blog-demo仓库。

总结

对比一下几种引用对象的不同:

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虚引用,配合引用队列使用,通过不断轮询引用队列获取对象回收事件。

虽然引用对象是一个非常有用的工具来管理你的内存消耗,但有时它们是不够的,或者是过度设计的 。例如,使用一个Map来缓存从数据库中读取的数据。虽然可以使用弱引用来作为缓存,但最终程序需要运行一定量的内存。如果不能给它足够实际足够的资源完成任何工作,那么错误恢复机制有多强大也没有用。

当遇到OutOfMemoryError错误,第一反应是要弄清楚它为什么会发生,也许真的是程序有bug,也许是可用内存设置的太低。

在开发过程中,应该制定程序具体的使用内存大小,而已要关注实际使用中用了多少内存。大多数应用程序在实际运行负载下,程序的内存占用会达到稳定状态,可以用此来作为参考来设置合理的堆大小。如果程序的内存使用量随着时间的推移而上升,很有可能是因为当对象不再使用时仍然拥有对对象的强引用。引用对象在这里可能会有所帮助,但更有可能是把它当做一个bug来进行修复。

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