Java引用类型

应该说，引用对于对象来说是至关重要的，对象生来是要被用的，没有引用的对象自然就用不到了，也就面临被回收，判断对象存活的关键在于引用

引用的分类

JDK1.2 之前，Java 中引用的定义很传统：如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表一个引用；JDK1.2 以后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用，终结器引用五种（引用强度逐渐减弱）。垃圾回收器对于不同引用强度的引用有不同的回收策略
- 对象当然可以对应多种类型的引用，每个引用都会发挥其对应的作用（比如与各种队列的关联），但是在回收策略上由强度最高的引用决定

强引用

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，JVM宁愿抛出 OOM 错误，使程序终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题
对于强引用来说，唯一使得其实例主动被回收的方法就是向强引用赋值null
- 为强引用赋值null以促成JVM垃圾回收的最典型的案例就是ArrayList的clear方法
```
public void clear() {
  modCount++;

  // clear to let GC do its work
  for (int i = 0; i < size; i++)
    elementData[i] = null;

  size = 0;
}
```
  - 释放数组成员的内存，但是不释放数组的内存，因为后续可能还会使用，只是清除存储的对象数据，但是不回收已经分配的数组空间
与其他几种引用类型相比，强引用没有对应的类型定义，也没有引用队列使用，毕竟是古老的默认的引用，同时作为最强的引用也没必要有这些

软引用

如果一个对象只具有软引用，则类似于非必须生活用品。如果内存空间足够，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。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存，可加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生

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

public class SoftReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Obj obj = new Obj();
        SoftReference<Obj> sr = new SoftReference<Obj>(obj);
        obj = null;
        System.out.println(sr.get());
    }
}

class Obj {

    int[] obj;

    public Obj() {
        obj = new int[1000];
    }
}

使用SoftReference描述软引用

使用软引用的一个例子：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：使用软引用维系内存中的图片数据，如果空间够用就正常使用，如果内存不够了，垃圾回收器会回收内存中图片数据占用的空间

弱引用

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。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

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，JVM就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中

public class WeakReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
      
        WeakReference<String> sr = new WeakReference<>(new String("hello"));
        System.out.println(sr.get()); // hello
        System.gc();                //通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.out.println(sr.get()); // null 对饮的实例已经被回收
    }
}

使用WeakReference描述弱引用

ThreadLocal

关于经典的ThreadLocal + 弱引用导致的内存泄漏在ThreadLocal原理的文章中介绍

虚引用

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动，给程序以指示以在对象的内存被回收前采取必要的行动。或者说一个对象持有虚引用，实际上就是等待被回收的对象
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，并且无法通过该引用来获取对象
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。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
```
public class PhantomReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<String>();
        // 虚引用必须指定一个ReferenceQueue
        PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<String>(new String("hello"), queue);
        System.out.println(pr.get());  // null
    }
}
```
- 使用PhantomReference描述虚引用
关于虚引用的一个经典的使用案例是DirectByteBuffer类中定义的Cleaner类（继承自PhantomReference），Cleaner类可以借用虚引用的特性保证DirectByteBuffer实例被回收后，也可以同步回收由此类分配的堆外内存

DirectByteBuffer

DirectByteBuffer是Java用于实现堆外内存的一个重要类，通常用在通信过程中做缓冲池，如在Netty、MINA等NIO框架中应用广泛。DirectByteBuffer对于堆外内存的创建、使用、销毁等逻辑均由Unsafe提供的堆外内存API来实现

protected static final Unsafe unsafe = Bits.unsafe();

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

  super(-1, 0, cap, cap);
  boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
  int ps = Bits.pageSize();
  long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
  Bits.reserveMemory(size, cap);

  long base = 0;
  try {
    // 分配内存，返回基地址
    base = unsafe.allocateMemory(size);
  } catch (OutOfMemoryError x) {
    Bits.unreserveMemory(size, cap);
    throw x;
  }
  // 内存初始化
  unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
  if (pa && (base % ps != 0)) {
    // Round up to page boundary
    address = base + ps - (base & (ps - 1));
  } else {
    address = base;
  }
  // 构建Cleaner对象用于跟踪DirectByteBuffer对象的垃圾回收，以实现当DirectByteBuffer被垃圾回收时，分配的堆外内存一起同步被释放
  cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
  att = null;
}

如何通过构建垃圾回收追踪对象Cleaner实现堆外内存释放的？----虚引用的典型应用

// Cleaner继承虚引用
public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {

// 虚引用必须结合虚引用队列使用
private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue();
// ....
  
// DirectByteBuffer类初始化Cleaner类的语句
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));

// Cleaner类提供的初始化方法
public static Cleaner create(Object var0, Runnable var1) {
  return var1 == null ? null : add(new Cleaner(var0, var1));
}
  
// var1是DirectByteBuffer的引用，var2是Deallocator实例
private Cleaner(Object var1, Runnable var2) {
  // 传递给虚引用的构造函数，至此，DirectByteBuffer拥有两个类型的引用，一个是调用DirectByteBuffer类的上层类中持有的强引用，一个是Cleaner中持有（本质上是被其父类的父类Reference持有）的虚引用
  super(var1, dummyQueue);
  this.thunk = var2;
}

// Cleaner内部维护了一个简单的链表
private static synchronized Cleaner add(Cleaner var0) {
  if (first != null) {
    var0.next = first;
    first.prev = var0;
  }

  first = var0;
  return var0;
}
  
public void clean() {
    if (remove(this)) {
      try {
        this.thunk.run();
      } catch (final Throwable var2) {
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
          public Void run() {
            if (System.err != null) {
              (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
            }

            System.exit(1);
            return null;
          }
        });
      }
    }
  }
  
// ...
  
}

// 执行堆外内存的回收的线程任务
private static class Deallocator
        implements Runnable
    {

        private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

        private long address;
        private long size;
        private int capacity;

        private Deallocator(long address, long size, int capacity) {
            assert (address != 0);
            this.address = address;
            this.size = size;
            this.capacity = capacity;
        }
                
              // 在clean方法中被调用
        public void run() {
            if (address == 0) {
                // Paranoia
                return;
            }
            // 释放内存
            unsafe.freeMemory(address);
            address = 0;
            Bits.unreserveMemory(size, capacity);
        }
    }

Cleaner继承PhantomReference，PhantomReference必须与引用队列ReferenceQueue结合使用，可以实现虚引用关联对象被垃圾回收时能够进行系统通知、资源清理等功能
当某个被Cleaner引用的对象（DirectByteBuffer）将被回收时（DirectByteBuffer的强引用已经无效，只剩下虚引用，这个虚引用的类型其实就是Cleaner(继承自PhantomReference)），JVM垃圾收集器会将此对象的引用放入到对象引用中的pending链表（不是dummyQueue，pending列表是GC或者说是JVM维护的，pending列表中的非Cleaner的引用才会放入到对应的引用队列中）中，等待Reference Handler进行相关处理。其中，Reference Handler为一个拥有最高优先级的守护线程，会循环不断的处理pending链表中的对象引用，执行Cleaner的clean方法进行相关清理工作
- Reference Handler的处理过程参考下边的Reference类的解析

终结器引用

终结器引用FinalReference，与前边几种引用一样都是属于Reference这个抽象类的子类，其作用在于其唯一子类Finalizer在类加载时创建了执行finalize方法的线程，用于在GC回收前执行回收方法

final class Finalizer extends FinalReference<Object> {
  private static class FinalizerThread extends Thread {
        private volatile boolean running;
        FinalizerThread(ThreadGroup g) {
            super(g, null, "Finalizer", 0, false);
        }
        public void run() {
            // in case of recursive call to run()
            if (running)
                return;

            // Finalizer thread starts before System.initializeSystemClass
            // is called.  Wait until JavaLangAccess is available
            while (VM.initLevel() == 0) {
                // delay until VM completes initialization
                try {
                    VM.awaitInitLevel(1);
                } catch (InterruptedException x) {
                    // ignore and continue
                }
            }
            final JavaLangAccess jla = SharedSecrets.getJavaLangAccess();
            running = true;
            for (;;) {
                try {
                      // 从队列中取出引用执行finalize方法
                    Finalizer f = (Finalizer)queue.remove();
                    f.runFinalizer(jla);
                } catch (InterruptedException x) {
                    // ignore and continue
                }
            }
        }
    }
  // ...
  static {
    ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
    for (ThreadGroup tgn = tg;
         tgn != null;
         tg = tgn, tgn = tg.getParent());
    Thread finalizer = new FinalizerThread(tg);
    finalizer.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY - 2);
    finalizer.setDaemon(true);
    finalizer.start();
  }
  // ...
}

在可达性分析算法中，不可达对象默认的被JVM赋予FinalReference引用（实际上是Finalizer类型）并投喂到对应的一个ReferenceQueue中，等待Finalizer线程去执行此队列中的对象的finalize方法（在finalizer线程中，判断是否需要执行finalize方法）

Reference类

除了强引用之外的其他四种引用实际上都以Reference类作为父类，而该类中定义了引用分类的核心功能

// Reference类
static {
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        for (ThreadGroup tgn = tg;
             tgn != null;
             tg = tgn, tgn = tg.getParent());
  
              // 创建高优先级的Reference Handler线程
        Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");
        /* If there were a special system-only priority greater than
         * MAX_PRIORITY, it would be used here
         */
  
              // 最高优先级
        handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        // 守护进线程
        handler.setDaemon(true);
        // 线程启动
        handler.start();

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



 /* High-priority thread to enqueue pending References  高优先级的守护线程用来处理GC向pending列表中投入的已经不可达的引用
  */
private static class ReferenceHandler extends Thread {

        private static void ensureClassInitialized(Class<?> clazz) {
            try {
                Class.forName(clazz.getName(), true, clazz.getClassLoader());
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                throw (Error) new NoClassDefFoundError(e.getMessage()).initCause(e);
            }
        }

        static {
            // pre-load and initialize InterruptedException and Cleaner classes
            // so that we don't get into trouble later in the run loop if there's
            // memory shortage while loading/initializing them lazily.
            ensureClassInitialized(InterruptedException.class);
            ensureClassInitialized(Cleaner.class);
        }

        ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {
            super(g, name);
        }

        public void run() {
            while (true) {
                tryHandlePending(true);
            }
        }
    }

// 此属性承载着pending list中的下一个pending的reference，由JVM维护
private static Reference<Object> pending = null;


// 高优先级的引用处理线程会死循环的执行此方法
static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
        Reference<Object> r;
        Cleaner c;
        try {
            synchronized (lock) {
                if (pending != null) {
                    r = pending;
                    // 'instanceof' might throw OutOfMemoryError sometimes
                    // so do this before un-linking 'r' from the 'pending' chain...
                    c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
                    // unlink 'r' from 'pending' chain
                    pending = r.discovered;
                    r.discovered = null;
                } else {
                    // The waiting on the lock may cause an OutOfMemoryError
                    // because it may try to allocate exception objects.
                    if (waitForNotify) {
                        // 等待pending list有reference后被JVM唤醒
                        lock.wait();
                    }
                    // retry if waited
                    return waitForNotify;
                }
            }
        } catch (OutOfMemoryError x) {
            // Give other threads CPU time so they hopefully drop some live references
            // and GC reclaims some space.
            // Also prevent CPU intensive spinning in case 'r instanceof Cleaner' above
            // persistently throws OOME for some time...
            Thread.yield();
            // retry
            return true;
        } catch (InterruptedException x) {
            // retry
            return true;
        }

        // Fast path for cleaners
        if (c != null) {
            // 如果当前处理的reference是Cleaner类型的则执行clean方法
            c.clean();
            return true;
        }
                
              // 如果当前处理的reference不是Cleaner类型则加入到queue中
        ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
        if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
        return true;
    }


Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
 }



// 下边补充软引用与弱引用的实现
public class SoftReference<T> extends Reference<T> {

    /**
     * Timestamp clock, updated by the garbage collector
     由GC去更新时钟
     */
    static private long clock;

    /**
     * Timestamp updated by each invocation of the get method.  The VM may use
     * this field when selecting soft references to be cleared, but it is not
     * required to do so.
     维护一个时间戳，类似于lru，每次调用get方法都会更新此时间戳，JVM可以以这个时间戳为凭证，判断内存不够时选择性的回收那些不常使用的弱引用
     */
    private long timestamp;

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

    /**
     * Creates a new soft reference that refers to the given object and is
     * registered with the given queue.
     *
     * @param referent object the new soft reference will refer to
     * @param q the queue with which the reference is to be registered,
     *          or <tt>null</tt> if registration is not required
     *
     */
    public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
        this.timestamp = clock;
    }

    /**
     * Returns this reference object's referent.  If this reference object has
     * been cleared, either by the program or by the garbage collector, then
     * this method returns <code>null</code>.
     *
     * @return   The object to which this reference refers, or
     *           <code>null</code> if this reference object has been cleared
     */
    public T get() {
        T o = super.get();
        if (o != null && this.timestamp != clock)
            this.timestamp = clock;
        return o;
    }

}

// 弱引用
public class WeakReference<T> extends Reference<T> {

    /**
     * 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 <tt>null</tt> if registration is not required
     */
    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }

}

Reference代码中包含的逻辑并非是四种引用的特性生效的全部逻辑，是需要JVM与GC配合使用的（逻辑不可见，只能从注释中瞥见一二），包括四种引用类型的子类的代码中也有对应的逻辑，大概的逻辑应该可以用下图去理解
<img src="http://images.demoli.xyz/image-20210706201301955.png" style="zoom:200%;" />

引用分类的作用

类似于Java并发编程中性能提升手段组要是锁的类型细化，引用的分类也是为了便于对引用实例进行管理以提升性能
- 程序员自己可以手动的设置一个引用的引用类型，这使得程序员也可以使用引用介入对象生命周期的管理
- 更有利于JVM进行垃圾回收

Java引用类型

Java引用类型

引用的分类

强引用

软引用

弱引用

ThreadLocal

虚引用

DirectByteBuffer

终结器引用

Reference类

引用分类的作用

demoli

引用和评论

Docker基础知识

在Java程序中监听mysql的binlog

Activiti7实战笔记

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Spring 实现 3 种异步流式接口，干掉接口超时烦恼

Bitmap 和布隆过滤器傻傻分不清？你这不应该啊

Java引用类型

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