Java Reference源码解析

Reference对象封装了其它对象的引用，可以和普通的对象一样操作，在一定的限制条件下，支持和垃圾收集器的交互。即可以使用Reference对象来引用其它对象，但是最后还是会被垃圾收集器回收。程序有时候也需要在对象回收后被通知，以告知对象的可达性发生变更。 

Java提供了四种不同类型的引用，引用级别从高到低分别为FinalReference,SoftReference,WeakReference,PhantomReference。其中FinalReference不对外提供使用。每种类型对应着不同级别的可达性。

简介

强引用FinalReference

强引用指的是，程序中有直接可达的引用，而不需要通过任何引用对象，如Object obj = new Object();中，obj为强引用。

软引用SoftReference

软引用，非强引用，但是可以通过软引用对象来访问。软引用的对象，只有在内存不足的时候（抛出OOM异常前），垃圾收集器会决定回收该软引用所指向的对象。软引用通常用于实现内存敏感的缓存。

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<Object>(new Object());

弱引用WeakReference

弱引用，非强引用和软引用，但是可以通过弱引用对象来访问。弱引用的对象，不管内存是否足够，只要被垃圾收集器发现，该引用的对象就会被回收。实际的应用见WeakHashMap等。

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<Object>(new Object());

虚引用PhantomReference

虚引用，该引用必须和引用队列(ReferenceQueue)一起使用，一般用于实现追踪垃圾收集器的回收动作，比如在对象被回收的时候，会调用该对象的finalize方法，在使用虚引用可以实现该动作，也更加安全。

Object obj = new Object();
ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<Object>(obj, refQueue);
ReferenceQueue

该队列作为引用中的一员，可以和上述三种引用类型组合使用，该队列的作用是：创建Reference时，将Queue注册到Reference中，当该Reference所引用的对象被垃圾收集器回收时，会将该Reference放到该队列中，相当于一种通知机制。
示例 Demo1：

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
System.gc();

Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);

源码分析

Reference和ReferenceQueue

Reference内部有几个比较重要的属性

// 用于保存对象的引用，GC会根据不同Reference来特别对待
private T referent;
// 如果需要通知机制，则保存的对对应的队列
ReferenceQueue<? super T> queue;
/* 这个用于实现一个单向循环链表，用以将保存需要由ReferenceHandler处理的引用 */
Reference next;

static private class Lock { };
// 锁，用于同步pending队列的进队和出队
private static Lock lock = new Lock();
// 此属性保存一个PENDING的队列，配合上述next一起使用
private static Reference pending = null;

状态图

内部类ReferenceHandler

ReferenceHandler作为Reference的静态内部类，用于实现将pending队列里面的Reference实例依次添加到不同的ReferenceQueue中（取决于Reference里面的queue）。该pending的元素由GC负责加入。
注：这里对pending队列进行加锁，个人认为是因为GC线程可能和ReferenceHandler所在的线程并发执行，如GC采用CMS并发收集的时候。

如下代码所示

// 此线程在静态块中启动，即一旦使用了Reference，则会启动该线程
private static class ReferenceHandler extends Thread {
  public void run() {
    for (;;) {

      Reference r;
      synchronized (lock) {
        if (pending != null) {
          r = pending;
          Reference rn = r.next;
          // 从pending中取下一个元素，如果后继为空，则next指向自身   pending = (rn == r) ? null : rn;
          r.next = r;
        } else {
          try {
            // 没有则等待，后续加入元素会调用lock.notify唤醒
            lock.wait();
          } catch (InterruptedException x) { }
          continue;
        }
      }
      // ...
      ReferenceQueue q = r.queue;
      // 如果该Reference注册了对应的Queue，则加入到该Queue中
      if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
    }
  }
}

ReferenceQueue属性

// 用于标识没有注册Queue
static ReferenceQueue NULL = new Null();
// 用于标识已经处于对应的Queue中
static ReferenceQueue ENQUEUED = new Null();

static private class Lock { };
/* 互斥锁，用于同步ReferenceHandler的enqueue和用户线程操作的remove和poll出队操作 */
private Lock lock = new Lock();
// 队列
private volatile Reference<? extends T> head = null;
// 队列中的元素个数
private long queueLength = 0;

ReferenceQueue.enqueue

只会通过Reference里要调用该方法，用于将Reference放入到当前队列中

boolean enqueue(Reference<? extends T> r) {
  synchronized (r) {
    // 判断是否已经入队了
    if (r.queue == ENQUEUED) return false;
    synchronized (lock) {
      r.queue = ENQUEUED;
      // 单向循环
      r.next = (head == null) ? r : head;
      head = r;
      queueLength++;
      if (r instanceof FinalReference) {
        sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);
      }
      // 通知当前挂起的线程（调用remove时有可能会挂起）
      lock.notifyAll();
      return true;
    }
  }
}

ReferenceQueue.remove

public Reference<? extends T> remove(long timeout)
  throws IllegalArgumentException, InterruptedException
{
  if (timeout < 0) {
    throw new IllegalArgumentException("Negative timeout value");
  }
  synchronized (lock) {
    // 从队列中取出一个元素
    Reference<? extends T> r = reallyPoll();
    // 如果不为空，则直接返回
    if (r != null) return r;
    for (;;) {
      // 否则等待，由enqueue时notify唤醒
      lock.wait(timeout);
      r = reallyPoll();
      if (r != null) return r;
      if (timeout != 0) return null;
    }
  }
}

具体执行流程

以上述示例Demo1作为分析

// 创建一个引用队列
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

// 创建虚引用，此时状态为Active，并且Reference.pending为空，当前Reference.queue = 上面创建的queue，并且next=null
WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
// 当GC执行后，由于是虚引用，所以回收该object对象，并且置于pending上，此时reference的状态为PENDING
System.gc();

/* ReferenceHandler从pending中取下该元素，并且将该元素放入到queue中，此时Reference状态为ENQUEUED，Reference.queue = ReferenceENQUEUED */

/* 当从queue里面取出该元素，则变为INACTIVE，Reference.queue = Reference.NULL */
Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);

应用 - WeakHashMap

WeakHashMap在使用上和HashMap类型，都是Hash + 链表解决冲突，唯一不同点在于前者的Key是使用虚引用来实现的，即当进行垃圾回收的时候，就是被回收掉，此时WeakHashMap会在下次操作的时候，根据被回收掉的Key，从Map里面移除掉。

Entry

当创建Entry的时候，会注册进当前Map属性的queue，当key被回收后，则该Entry会被放入到queue中，每当操作Map的时候，才会将原有的Value清除掉。（由expungeStaleEntries方法来进行，并且没有启动一个单独的线程来处理，没有必要，这样子简化了逻辑以及避免锁的开销）

// 外部WeakHashMap属性
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

/* 这里采用了集成WeakReference而不是直接使用，是因为当被回收的时候，具体的Key是不知道的，这里需要往WeakReference额外加入一些属性，以便在被回收后通知时，能够定位到具体的Key/value */
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
  // 这里属性不能加入key，否则会导致存在强引用而不能被视为WeakReference回收掉
  V value;
  int hash;
  Entry<K,V> next;
  
  Entry(Object key, V value,
     ReferenceQueue<Object> queue,
     int hash, Entry<K,V> next) {
    super(key, queue);
    this.value = value;
    this.hash = hash;
    this.next = next;
  }
  // ...
}

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