详解Java的四种引用方式及其区别

程序员文章站 2024-03-04 13:36:23

java内存管理分为内存分配和内存回收，都不需要程序员负责，垃圾回收的机制主要是看对象是否有引用指向该对象。 java对象的引用包括强引用，软引用，弱引用，虚引用...

java内存管理分为内存分配和内存回收，都不需要程序员负责，垃圾回收的机制主要是看对象是否有引用指向该对象。

java对象的引用包括

强引用，软引用，弱引用，虚引用

java中提供这四种引用类型主要有两个目的：

第一是可以让程序员通过代码的方式决定某些对象的生命周期；

第二是有利于jvm进行垃圾回收。

下面来阐述一下这四种类型引用的概念：

１．强引用

是指创建一个对象并把这个对象赋给一个引用变量。

比如：

object object =new object();
string str ="hello";

强引用有引用变量指向时永远不会被垃圾回收，jvm宁愿抛出outofmemory错误也不会回收这种对象。

public class main { 
 public static void main(string[] args) { 
  new main()fun1(); 
 } 
  
 public void fun1() { 
  object object = new object(); 
  object[] objarr = new object[1000]; 
 }

当运行至object[] objarr = new object[1000];这句时，如果内存不足，jvm会抛出oom错误也不会回收object指向的对象。不过要注意的是，当fun1运行完之后，object和objarr都已经不存在了，所以它们指向的对象都会被jvm回收。

如果想中断强引用和某个对象之间的关联，可以显示地将引用赋值为null，这样一来的话，jvm在合适的时间就会回收该对象。

比如vector类的clear方法中就是通过将引用赋值为null来实现清理工作的：

/** 
  * removes the element at the specified position in this vector 
  * shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their 
  * indices) returns the element that was removed from the vector 
  * 
  * @throws arrayindexoutofboundsexception if the index is out of range 
  *   ({@code index < 0 || index >= size()}) 
  * @param index the index of the element to be removed 
  * @return element that was removed 
  * @since 2 
  */ 
 public synchronized e remove(int index) { 
 modcount++; 
 if (index >= elementcount) 
  throw new arrayindexoutofboundsexception(index); 
 object oldvalue = elementdata[index]; 
 
 int nummoved = elementcount - index - 1; 
 if (nummoved > 0) 
  systemarraycopy(elementdata, index+1, elementdata, index, 
     nummoved); 
 elementdata[--elementcount] = null; // let gc do its work 
 
 return (e)oldvalue; 
 }

2.软引用（softreference）

如果一个对象具有软引用，内存空间足够，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,比如网页缓存、图片缓存等。使用软引用能防止内存泄露，增强程序的健壮性。
softreference的特点是它的一个实例保存对一个java对象的软引用，该软引用的存在不妨碍垃圾收集线程对该java对象的回收。

也就是说，一旦softreference保存了对一个java对象的软引用后，在垃圾线程对这个java对象回收前，softreference类所提供的get()方法返回java对象的强引用。

另外，一旦垃圾线程回收该java对象之后，get()方法将返回null。

举个栗子：

myobject aref = new myobject(); 
softreference asoftref=new softreference(aref);

此时，对于这个myobject对象，有两个引用路径，一个是来自softreference对象的软引用，一个来自变量areference的强引用，所以这个myobject对象是强可及对象。

随即，我们可以结束areference对这个myobject实例的强引用:

aref = null;

此后，这个myobject对象成为了软引用对象。如果垃圾收集线程进行内存垃圾收集，并不会因为有一个softreference对该对象的引用而始终保留该对象。

java虚拟机的垃圾收集线程对软可及对象和其他一般java对象进行了区别对待:软可及对象的清理是由垃圾收集线程根据其特定算法按照内存需求决定的。

也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出outofmemoryerror之前回收软可及对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软可及对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软可反对象会被虚拟机尽可能保留。在回收这些对象之前，我们可以通过:

myobject anotherref=(myobject)asoftref.get();

重新获得对该实例的强引用。而回收之后，调用get()方法就只能得到null了。

使用referencequeue清除失去了软引用对象的softreference：

作为一个java对象，softreference对象除了具有保存软引用的特殊性之外，也具有java对象的一般性。所以，当软可及对象被回收之后，虽然这个softreference对象的get()方法返回null,但这个softreference对象已经不再具有存在的价值，需要一个适当的清除机制，避免大量softreference对象带来的内存泄漏。在java.lang.ref包里还提供了referencequeue。如果在创建softreference对象的时候，使用了一个referencequeue对象作为参数提供给softreference的构造方法，如:

referencequeue queue = new referencequeue(); 
softreference ref=new softreference(amyobject, queue);

那么当这个softreference所软引用的amyohject被垃圾收集器回收的同时，ref所强引用的softreference对象被列入referencequeue。也就是说，referencequeue中保存的对象是reference对象，而且是已经失去了它所软引用的对象的reference对象。另外从referencequeue这个名字也可以看出，它是一个队列，当我们调用它的poll()方法的时候，如果这个队列中不是空队列，那么将返回队列前面的那个reference对象。

在任何时候，我们都可以调用referencequeue的poll()方法来检查是否有它所关心的非强可及对象被回收。如果队列为空，将返回一个null,否则该方法返回队列中前面的一个reference对象。利用这个方法，我们可以检查哪个softreference所软引用的对象已经被回收。于是我们可以把这些失去所软引用的对象的softreference对象清除掉。常用的方式为:

softreference ref = null; 
while ((ref = (employeeref) qpoll()) != null) { 
 // 清除ref 
}

3.弱引用（weakreference）

弱引用也是用来描述非必需对象的，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。在java中，用java.lang.ref.weakreference类来表示。下面是使用示例：

public class test { 
 public static void main(string[] args) { 
  weakreference<people>reference=new weakreference<people>(new people("zhouqian",20)); 
  systemoutprintln(referenceget()); 
  systemgc();//通知gvm回收资源 
  systemoutprintln(referenceget()); 
 } 
} 
class people{ 
 public string name; 
 public int age; 
 public people(string name,int age) { 
  thisname=name; 
  thisage=age; 
 } 
 @override 
 public string tostring() { 
  return "[name:"+name+",age:"+age+"]"; 
 } 
}

输出结果：

[name:zhouqian,age:20]
null

第二个输出结果是null，这说明只要jvm进行垃圾回收，被弱引用关联的对象必定会被回收掉。不过要注意的是，这里所说的被弱引用关联的对象是指只有弱引用与之关联，如果存在强引用同时与之关联，则进行垃圾回收时也不会回收该对象（软引用也是如此）。

比如：将代码做一点小更改：

package yinyong; 
 
import javalangrefweakreference; 
 
public class test { 
 public static void main(string[] args) { 
  people people=new people("zhouqian",20); 
  weakreference<people>reference=new weakreference<people>(people);//<span style="color:#ff0000;">关联强引用</span> 
  systemoutprintln(referenceget()); 
  systemgc(); 
  systemoutprintln(referenceget()); 
 } 
} 
class people{ 
 public string name; 
 public int age; 
 public people(string name,int age) { 
  thisname=name; 
  thisage=age; 
 } 
 @override 
 public string tostring() { 
  return "[name:"+name+",age:"+age+"]"; 
 } 
}//结果发生了很大的变化 
[name:zhouqian,age:20] 
[name:zhouqian,age:20]

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jvm回收，这个软引用就会被加入到与之关联的引用队列中。

4.虚引用（phantomreference）

虚引用和前面的软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期。在java中用java.lang.ref.phantomreference类表示。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

要注意的是，虚引用必须和引用队列关联使用，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，就会把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。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被垃圾回收。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。

import javalangrefphantomreference; 
import javalangrefreferencequeue; 
public class main { 
 public static void main(string[] args) { 
  referencequeue<string> queue = new referencequeue<string>(); 
  phantomreference<string> pr = new phantomreference<string>(new string("hello"), queue); 
  systemoutprintln(prget()); 
 } 
}

软引用和弱引用

对于强引用，我们平时在编写代码时经常会用到。而对于其他三种类型的引用，使用得最多的就是软引用和弱引用，这2种既有相似之处又有区别。它们都是用来描述非必需对象的，但是被软引用关联的对象只有在内存不足时才会被回收，而被弱引用关联的对象在jvm进行垃圾回收时总会被回收。

在softreference类中，有三个方法，两个构造方法和一个get方法（wekreference类似）：

两个构造方法：

public softreference(t referent) { 
 super(referent); 
 thistimestamp = clock; 
 } 
public softreference(t referent, referencequeue<? super t> q) { 
 super(referent, q); 
 thistimestamp = clock; 
 }

get方法用来获取与软引用关联的对象的引用，如果该对象被回收了，则返回null。

在使用软引用和弱引用的时候，我们可以显示地通过system.gc()来通知jvm进行垃圾回收，但是要注意的是，虽然发出了通知，jvm不一定会立刻执行，也就是说这句是无法确保此时jvm一定会进行垃圾回收的。

对象可及性的判断

在很多时候，一个对象并不是从根集直接引用的，而是一个对象被其他对象引用，甚至同时被几个对象所引用，从而构成一个以根集为顶的树形结构。如图2所示

详解Java的四种引用方式及其区别

在这个树形的引用链中，箭头的方向代表了引用的方向，所指向的对象是被引用对象。由图可以看出，从根集到一个对象可以由很多条路径。比如到达对象5的路径就有①-⑤，③-⑦两条路径。由此带来了一个问题，那就是某个对象的可及性如何判断:

单条引用路径可及性判断:在这条路径中，最弱的一个引用决定对象的可及性。
多条引用路径可及性判断:几条路径中，最强的一条的引用决定对象的可及性。

比如，我们假设图2中引用①和③为强引用，⑤为软引用，⑦为弱引用，对于对象5按照这两个判断原则，路径①-⑤取最弱的引用⑤，因此该路径对对象5的引用为软引用。同样，③-⑦为弱引用。在这两条路径之间取最强的引用，于是对象5是一个软可及对象

如何利用软引用和弱引用解决oom问题

前面讲了关于软引用和弱引用相关的基础知识，那么到底如何利用它们来优化程序性能，从而避免oom的问题呢？

下面举个例子，假如有一个应用需要读取大量的本地图片，如果每次读取图片都从硬盘读取，则会严重影响性能，但是如果全部加载到内存当中，又有可能造成内存溢出，此时使用软引用可以解决这个问题。

设计思路是：用一个hashmap来保存图片的路径和相应图片对象关联的软引用之间的映射关系，在内存不足时，jvm会自动回收这些缓存图片对象所占用的空间，从而有效地避免了oom的问题。在android开发中对于大量图片下载会经常用到。

使用软引用构建敏感数据的缓存

1 为什么需要使用软引用

首先，我们看一个雇员信息查询系统的实例。我们将使用一个java语言实现的雇员信息查询系统查询存储在磁盘文件或者数据库中的雇员人事档案信息。作为一个用户，我们完全有可能需要回头去查看几分钟甚至几秒钟前查看过的雇员档案信息(同样，我们在浏览web页面的时候也经常会使用“后退”按钮)。这时我们通常会有两种程序实现方式:一种是把过去查看过的雇员信息保存在内存中，每一个存储了雇员档案信息的java对象的生命周期贯穿整个应用程序始终;另一种是当用户开始查看其他雇员的档案信息的时候，把存储了当前所查看的雇员档案信息的java对象结束引用，使得垃圾收集线程可以回收其所占用的内存空间，当用户再次需要浏览该雇员的档案信息的时候，重新构建该雇员的信息。很显然，第一种实现方法将造成大量的内存浪费，而第二种实现的缺陷在于即使垃圾收集线程还没有进行垃圾收集，包含雇员档案信息的对象仍然完好地保存在内存中，应用程序也要重新构建一个对象。我们知道，访问磁盘文件、访问网络资源、查询数据库等操作都是影响应用程序执行性能的重要因素，如果能重新获取那些尚未被回收的java对象的引用，必将减少不必要的访问，大大提高程序的运行速度。

2 如果使用软引用

softreference的特点是它的一个实例保存对一个java对象的软引用，该软引用的存在不妨碍垃圾收集线程对该java对象的回收。也就是说，一旦softreference保存了对一个java对象的软引用后，在垃圾线程对这个java对象回收前，softreference类所提供的get()方法返回java对象的强引用。另外，一旦垃圾线程回收该java对象之后，get()方法将返回null。看下面代码:

myobject aref = new myobject();
softreference asoftref=new softreference(aref);

随即，我们可以结束areference对这个myobject实例的强引用:

aref=null;

此后，这个myobject对象成为了软可及对象。如果垃圾收集线程进行内存垃圾收集，并不会因为有一个softreference对该对象的引用而始终保留该对象。java虚拟机的垃圾收集线程对软可及对象和其他一般java对象进行了区别对待:软可及对象的清理是由垃圾收集线程根据其特定算法按照内存需求决定的。也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出outofmemoryerror之前回收软可及对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软可及对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软可反对象会被虚拟机尽可能保留。在回收这些对象之前，我们可以通过:

myobjectanotherref=(myobject)asoftref.get();

重新获得对该实例的强引用。而回收之后，调用get()方法就只能得到null了。

3 使用referencequeue清除失去了软引用对象的softreference作为一个java对象，softreference对象除了具有保存软引用的特殊性之外，也具有java对象的一般性。所以，当软可及对象被回收之后，虽然这个softreference对象的get()方法返回null,但这个softreference对象已经不再具有存在的价值，需要一个适当的清除机制，避免大量softreference对象带来的内存泄漏。在java.lang.ref包里还提供了referencequeue。如果在创建softreference对象的时候，使用了一个referencequeue对象作为参数提供给softreference的构造方法，如:

referencequeue queue = new referencequeue();
softreference ref=new softreference(amyobject, queue);

softreference ref = null;

while ((ref = (employeeref) q.poll()) != null) {

 // 清除ref

}

理解了referencequeue的工作机制之后，我们就可以开始构造一个java对象的高速缓存器了。

4通过软可及对象重获方法实现java对象的高速缓存

利用java2平台垃圾收集机制的特性以及前述的垃圾对象重获方法，我们通过一个雇员信息查询系统的小例子来说明如何构建一种高速缓存器来避免重复构建同一个对象带来的性能损失。我们将一个雇员的档案信息定义为一个employee类:

publicclass employee {

 private string id;// 雇员的标识号码

 private string name;// 雇员姓名

 private string department;// 该雇员所在部门

 private string phone;// 该雇员联系电话

 privateintsalary;// 该雇员薪资

 private string origin;// 该雇员信息的来源

 

 // 构造方法

 public employee(string id) {

  this.id = id;

  getdatafromlnfocenter();

 }

 

 // 到数据库中取得雇员信息

 privatevoid getdatafromlnfocenter() {

  // 和数据库建立连接井查询该雇员的信息，将查询结果赋值

  // 给name，department，plone，salary等变量

  // 同时将origin赋值为"from database"

 }

……

这个employee类的构造方法中我们可以预见，如果每次需要查询一个雇员的信息。哪怕是几秒中之前刚刚查询过的，都要重新构建一个实例，这是需要消耗很多时间的。下面是一个对employee对象进行缓存的缓存器的定义:

import java.lang.ref.referencequeue;

import java.lang.ref.softreference;

import java.util.hashtable;

publicclass employeecache {

 staticprivate employeecache cache;// 一个cache实例

 private hashtable<string,employeeref> employeerefs;// 用于chche内容的存储

 private referencequeue<employee> q;// 垃圾reference的队列

 

 // 继承softreference，使得每一个实例都具有可识别的标识。

 // 并且该标识与其在hashmap内的key相同。

 privateclass employeeref extends softreference<employee> {

  private string _key = "";

 

  public employeeref(employee em, referencequeue<employee> q) {

   super(em, q);

   _key = em.getid();

  }

 }

 

 // 构建一个缓存器实例

 private employeecache() {

  employeerefs = new hashtable<string,employeeref>();

  q = new referencequeue<employee>();

 }

 

 // 取得缓存器实例

 publicstatic employeecache getinstance() {

  if (cache == null) {

   cache = new employeecache();

  }

  returncache;

 }

 

 // 以软引用的方式对一个employee对象的实例进行引用并保存该引用

 privatevoid cacheemployee(employee em) {

  cleancache();// 清除垃圾引用

  employeeref ref = new employeeref(em, q);

  employeerefs.put(em.getid(), ref);

 }

 

 // 依据所指定的id号，重新获取相应employee对象的实例

 public employee getemployee(string id) {

  employee em = null;

  // 缓存中是否有该employee实例的软引用，如果有，从软引用中取得。

  if (employeerefs.containskey(id)) {

   employeeref ref = (employeeref) employeerefs.get(id);

   em = (employee) ref.get();

  }

  // 如果没有软引用，或者从软引用中得到的实例是null，重新构建一个实例，

  // 并保存对这个新建实例的软引用

  if (em == null) {

   em = new employee(id);

   system.out.println("retrieve from employeeinfocenter. id=" + id);

   this.cacheemployee(em);

  }

  return em;

 }

 

 // 清除那些所软引用的employee对象已经被回收的employeeref对象

 privatevoid cleancache() {

  employeeref ref = null;

  while ((ref = (employeeref) q.poll()) != null) {

   employeerefs.remove(ref._key);

  }

 }

 

 // 清除cache内的全部内容

 publicvoid clearcache() {

  cleancache();

  employeerefs.clear();

  system.gc();

  system.runfinalization();

 }

}

使用弱引用构建非敏感数据的缓存

1全局 map 造成的内存泄漏

无意识对象保留最常见的原因是使用map将元数据与临时对象（transient object）相关联。假定一个对象具有中等生命周期，比分配它的那个方法调用的生命周期长，但是比应用程序的生命周期短，如客户机的套接字连接。需要将一些元数据与这个套接字关联，如生成连接的用户的标识。在创建socket时是不知道这些信息的，并且不能将数据添加到socket对象上，因为不能控制 socket 类或者它的子类。这时，典型的方法就是在一个全局 map 中存储这些信息，如下面的 socketmanager 类所示：使用一个全局 map 将元数据关联到一个对象。

publicclass socketmanager {

  private map<socket, user> m = new hashmap<socket, user>();

 

  publicvoid setuser(socket s, user u) {

    m.put(s, u);

  }

 

  public user getuser(socket s) {

    returnm.get(s);

  }

 

  publicvoid removeuser(socket s) {

    m.remove(s);

  }

}

这种方法的问题是元数据的生命周期需要与套接字的生命周期挂钩，但是除非准确地知道什么时候程序不再需要这个套接字，并记住从 map 中删除相应的映射，否则，socket 和 user 对象将会永远留在 map 中，远远超过响应了请求和关闭套接字的时间。这会阻止 socket 和 user 对象被垃圾收集，即使应用程序不会再使用它们。这些对象留下来不受控制，很容易造成程序在长时间运行后内存爆满。除了最简单的情况，在几乎所有情况下找出什么时候 socket 不再被程序使用是一件很烦人和容易出错的任务，需要人工对内存进行管理。

2如何使用weakhashmap

在java集合中有一种特殊的map类型—weakhashmap，在这种map中存放了键对象的弱引用，当一个键对象被垃圾回收器回收时，那么相应的值对象的引用会从map中删除。weakhashmap能够节约存储空间，可用来缓存那些非必须存在的数据。关于map接口的一般用法。

下面示例中mapcache类的main()方法创建了一个weakhashmap对象，它存放了一组key对象的弱引用，此外main()方法还创建了一个数组对象，它存放了部分key对象的强引用。

import java.util.weakhashmap;

 

class element {

  private string ident;

 

  public element(string id) {

    ident = id;

  }

 

  public string tostring() {

    returnident;

  }

 

  publicint hashcode() {

    returnident.hashcode();

  }

 

  publicboolean equals(object obj) {

    return obj instanceof element && ident.equals(((element) obj).ident);

  }

  

  protectedvoid finalize(){

    system.out.println("finalizing "+getclass().getsimplename()+" "+ident);

  }

}

 

class key extends element{

  public key(string id){

    super(id);

  }

}

 

class value extends element{

  public value (string id){

    super(id);

  }

}

 

publicclass canonicalmapping {

  publicstaticvoid main(string[] args){

    int size=1000;

    key[] keys=new key[size];

    weakhashmap<key,value> map=new weakhashmap<key,value>();

    for(int i=0;i<size;i++){

      key k=new key(integer.tostring(i));

      value v=new value(integer.tostring(i));

      if(i%3==0)

       keys[i]=k;

      map.put(k, v);

    }

    system.gc();

  }

}

从打印结果可以看出，当执行system.gc()方法后，垃圾回收器只会回收那些仅仅持有弱引用的key对象。id可以被3整除的key对象持有强引用，因此不会被回收。

3 用 weakhashmap 堵住泄漏

在 socketmanager 中防止泄漏很容易，只要用 weakhashmap 代替 hashmap 就行了。（这里假定socketmanager不需要线程安全）。当映射的生命周期必须与键的生命周期联系在一起时，可以使用这种方法。用weakhashmap修复 socketmanager。

publicclass socketmanager {

  private map<socket,user> m = new weakhashmap<socket,user>();

  

  publicvoid setuser(socket s, user u) {

    m.put(s, u);

  }

  public user getuser(socket s) {

    returnm.get(s);

  }

}

4 配合使用引用队列

weakhashmap 用弱引用承载映射键，这使得应用程序不再使用键对象时它们可以被垃圾收集，get() 实现可以根据 weakreference.get() 是否返回 null 来区分死的映射和活的映射。但是这只是防止 map 的内存消耗在应用程序的生命周期中不断增加所需要做的工作的一半，还需要做一些工作以便在键对象被收集后从 map 中删除死项。否则，map 会充满对应于死键的项。虽然这对于应用程序是不可见的，但是它仍然会造成应用程序耗尽内存。

引用队列是垃圾收集器向应用程序返回关于对象生命周期的信息的主要方法。弱引用有个构造函数取引用队列作为参数。如果用关联的引用队列创建弱引用，在弱引用对象成为 gc 候选对象时，这个引用对象就在引用清除后加入到引用队列中（具体参考上文软引用示例）。weakhashmap 有一个名为 expungestaleentries() 的私有方法，大多数 map 操作中会调用它，它去掉引用队列中所有失效的引用，并删除关联的映射。

uml:使用关联类指明特定形式的引用

关联类能够用来指明特定形式的引用，如弱（weak）、软（soft）或虚（phantom）引用。

详解Java的四种引用方式及其区别