JDK源码阅读-Reference

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导语

Java最初只有普通的强引用，只有对象存在引用，则对象就不会被回收，即使内存不足，也是如此，JVM会爆出OOME，也不会去回收存在引用的对象。

如果只提供强引用，我们就很难写出“这个对象不是很重要，如果内存不足GC回收掉也是可以的”这种语义的代码。Java在1.2版本中完善了引用体系，提供了4中引用类型：强引用，软引用，弱引用，虚引用。使用这些引用类型，我们不但可以控制垃圾回收器对对象的回收策略，同时还能在对象被回收后得到通知，进行相应的后续操作。

引用与可达性分类

Java目前有4中引用类型：

1. 强引用(Strong Reference)：普通的的引用类型，new一个对象默认得到的引用就是强引用，只要对象存在强引用，就不会被GC。
2. 软引用(Soft Reference)：相对较弱的引用，垃圾回收器会在内存不足时回收弱引用指向的对象。JVM会在抛出OOME前清理所有弱引用指向的对象，如果清理完还是内存不足，才会抛出OOME。所以软引用一般用于实现内存敏感缓存。
3. 弱引用(Weak Reference)：更弱的引用类型，垃圾回收器在GC时会回收此对象，也可以用于实现缓存，比如JDK提供的WeakHashMap。
4. 虚引用(Phantom Reference)：一种特殊的引用类型，不能通过虚引用获取到关联对象，只是用于获取对象被回收的通知。

相较于传统的引用计数算法，Java使用可达性分析来判断一个对象是否存活。其基本思路是从GC Root开始向下搜索，如果对象与GC Root之间存在引用链，则对象是可达的。对象的可达性与引用类型密切相关。Java有5中类型的可达性：

1. 强可达(Strongly Reachable)：如果线程能通过强引用访问到对象，那么这个对象就是强可达的。
2. 软可达(Soft Reachable)：如果一个对象不是强可达的，但是可以通过软引用访问到，那么这个对象就是软可达的
3. 弱可达(Weak Reachable)：如果一个对象不是强可达或者软可达的，但是可以通过弱引用访问到，那么这个对象就是弱可达的。
4. 虚可达(Phantom Reachable)：如果一个对象不是强可达，软可达或者弱可达，并且这个对象已经finalize过了，并且有虚引用指向该对象，那么这个对象就是虚可达的。
5. 不可达(Unreachable)：如果对象不能通过上述的几种方式访问到，则对象是不可达的，可以被回收。

对象的引用类型与可达性听着有点乱，好像是一回事，我们这里实例分析一下：

上面这个例子中，A~D，每个对象只存在一个引用，分别是：A-强引用，B-软引用，C-弱引用，D-虚引用，所以他们的可达性为：A-强可达，B-软可达，C-弱可达，D-虚可达。因为E没有存在和GC Root的引用链，所以它是不可达。

在看一个复杂的例子：

• A依然只有一个强引用，所以A是强可达
• B存在两个引用，强引用和软引用，但是B可以通过强引用访问到，所以B是强可达
• C只能通过弱引用访问到，所以是弱可达
• D存在弱引用和虚引用，所以是弱可达
• E虽然存在F的强引用，但是GC Root无法访问到它，所以它依然是不可达。

同时可以看出，对象的可达性是会发生变化的，随着运行时引用对象的引用类型的变化，可达性也会发生变化，可以参考下图：

Reference总体结构

Reference类是所有引用类型的基类，Java提供了具体引用类型的具体实现：

• SoftReference：软引用，堆内存不足时，垃圾回收器会回收对应引用
• WeakReference：弱引用，每次垃圾回收都会回收其引用
• PhantomReference：虚引用，对引用无影响，只用于获取对象被回收的通知
• FinalReference：Java用于实现finalization的一个内部类

因为默认的引用就是强引用，所以没有强引用的Reference实现类。

Reference的核心

Java的多种引用类型实现，不是通过扩展语法实现的，而是利用类实现的，Reference类表示一个引用，其核心代码就是一个成员变量reference：

public abstract class Reference<T> {
	private T referent; // 会被GC特殊对待
    
    // 获取Reference管理的对象
    public T get() {
        return this.referent;
    }
    
    // ...
}

如果JVM没有对这个变量做特殊处理，它依然只是一个普通的强引用，之所以会出现不同的引用类型，是因为JVM垃圾回收器硬编码识别SoftReference，WeakReference，PhantomReference等这些具体的类，对其reference变量进行特殊对象，才有了不同的引用类型的效果。

上文提到了Reference及其子类有两大功能：

1. 实现特定的引用类型
2. 用户可以对象被回收后得到通知

第一个功能已经解释过了，第二个功能是如何做到的呢？

一种思路是在新建一个Reference实例是，添加一个回调，当java.lang.ref.Reference#referent被回收时，JVM调用该回调，这种思路比较符合一般的通知模型，但是对于引用与垃圾回收这种底层场景来说，会导致实现复杂，性能不高的问题，比如需要考虑在什么线程中执行这个回调，回调执行阻塞怎么办等等。

所以Reference使用了一种更加原始的方式来做通知，就是把引用对象被回收的Reference添加到一个队列中，用户后续自己去从队列中获取并使用。

理解了设计后对应到代码上就好理解了，Reference有一个queue成员变量，用于存储引用对象被回收的Reference实例：

public abstract class Reference<T> {
    // 会被GC特殊对待
	private T referent; 
    // reference被回收后，当前Reference实例会被添加到这个队列中
    volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
    
    // 只传入reference的构造函数，意味着用户只需要特殊的引用类型，不关心对象何时被GC
    Reference(T referent) {
        this(referent, null);
    }
	
    // 传入referent和ReferenceQueue的构造函数，reference被回收后，会添加到queue中
    Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
    }
    
    // ...
}

Reference的状态

Reference对象是有状态的。一共有4中状态：

1. Active：新创建的实例的状态，由垃圾回收器进行处理，如果实例的可达性处于合适的状态，垃圾回收器会切换实例的状态为Pending或者Inactive。如果Reference注册了ReferenceQueue，则会切换为Pending，并且Reference会加入pending-Reference链表中，如果没有注册ReferenceQueue，会切换为Inactive。
2. Pending：在pending-Reference链表中的Reference的状态，这些Reference等待被加入ReferenceQueue中。
3. Enqueued：在ReferenceQueue队列中的Reference的状态，如果Reference从队列中移除，会进入Inactive状态
4. Inactive：Reference的最终状态

Reference对象图如下：

除了上文提到的ReferenceQueue，这里出现了一个新的数据结构：pending-Reference。这个链表是用来干什么的呢？

上文提到了，reference引用的对象被回收后，该Reference实例会被添加到ReferenceQueue中，但是这个不是垃圾回收器来做的，这个操作还是有一定逻辑的，如果垃圾回收器还需要执行这个操作，会降低其效率。从另外一方面想，Reference实例会被添加到ReferenceQueue中的实效性要求不高，所以也没必要在回收时立马加入ReferenceQueue。

所以垃圾回收器做的是一个更轻量级的操作：把Reference添加到pending-Reference链表中。Reference对象中有一个pending成员变量，是静态变量，它就是这个pending-Reference链表的头结点。要组成链表，还需要一个指针，指向下一个节点，这个对应的是java.lang.ref.Reference#discovered这个成员变量。

可以看一下代码：

public abstract class Reference<T> {
    // 会被GC特殊对待
	private T referent; 
    // reference被回收后，当前Reference实例会被添加到这个队列中
    volatile ReferenceQueue<? super T> queue; 
 	
    // 全局唯一的pending-Reference列表
    private static Reference<Object> pending = null;
    
    // Reference为Active：由垃圾回收器管理的已发现的引用列表(这个不在本文讨论访问内)
    // Reference为Pending：在pending列表中的下一个元素，如果没有为null
    // 其他状态：NULL
    transient private Reference<T> discovered;  /* used by VM */
    // ...
}

ReferenceHandler线程

通过上文的讨论，我们知道一个Reference实例化后状态为Active，其引用的对象被回收后，垃圾回收器将其加入到pending-Reference链表，等待加入ReferenceQueue。这个过程是如何实现的呢？

这个过程不能对垃圾回收器产生影响，所以不能在垃圾回收线程中执行，也就需要一个独立的线程来负责。这个线程就是ReferenceHandler，它定义在Reference类中：

// 用于控制垃圾回收器操作与Pending状态的Reference入队操作不冲突执行的全局锁
// 垃圾回收器开始一轮垃圾回收前要获取此锁
// 所以所有占用这个锁的代码必须尽快完成，不能生成新对象，也不能调用用户代码
static private class Lock { };
private static Lock lock = new Lock();

private static class ReferenceHandler extends Thread {

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

    public void run() {
        // 这个线程一直执行
        for (;;) {
            Reference<Object> r;
            // 获取锁，避免与垃圾回收器同时操作
            synchronized (lock) {
                // 判断pending-Reference链表是否有数据
                if (pending != null) {
                    // 如果有Pending Reference，从列表中取出
                    r = pending;
                    pending = r.discovered;
                    r.discovered = null;
                } else {
                    // 如果没有Pending Reference，调用wait等待
                    // 
                    // wait等待锁，是可能抛出OOME的，
                    // 因为可能发生InterruptedException异常，然后就需要实例化这个异常对象，
                    // 如果此时内存不足，就可能抛出OOME，所以这里需要捕获OutOfMemoryError，
                    // 避免因为OOME而导致ReferenceHandler进程静默退出
                    try {
                        try {
                            lock.wait();
                        } catch (OutOfMemoryError x) { }
                    } catch (InterruptedException x) { }
                    continue;
                }
            }

            // 如果Reference是Cleaner，调用其clean方法
            // 这与Cleaner机制有关系，不在此文的讨论访问
            if (r instanceof Cleaner) {
                ((Cleaner)r).clean();
                continue;
            }

            // 把Reference添加到关联的ReferenceQueue中
            // 如果Reference构造时没有关联ReferenceQueue，会关联ReferenceQueue.NULL，这里就不会进行入队操作了
            ReferenceQueue<Object> q = r.queue;
            if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
        }
    }
}

ReferenceHandler线程是在Reference的static块中启动的：

static {
    // 获取system ThreadGroup
    ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
    for (ThreadGroup tgn = tg;
         tgn != null;
         tg = tgn, tgn = tg.getParent());
    Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");

    // ReferenceHandler线程有最高优先级
    handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    handler.setDaemon(true);
    handler.start();
}

综上，ReferenceHandler是一个最高优先级的线程，其逻辑是从Pending-Reference链表中取出Reference，添加到其关联的Reference-Queue中。

ReferenceQueue

Reference-Queue也是一个链表：

public class ReferenceQueue<T> {
    private volatile Reference<? extends T> head = null;
    // ...
}
// ReferenceQueue中的这个锁用于保护链表队列在多线程环境下的正确性
static private class Lock { };
private Lock lock = new Lock();

boolean enqueue(Reference<? extends T> r) { /* Called only by Reference class */
    synchronized (lock) {
		// 判断Reference是否需要入队
        ReferenceQueue<?> queue = r.queue;
        if ((queue == NULL) || (queue == ENQUEUED)) {
            return false;
        }
        assert queue == this;
        
        // Reference入队后，其queue变量设置为ENQUEUED
        r.queue = ENQUEUED;
        // Reference的next变量指向ReferenceQueue中下一个元素
        r.next = (head == null) ? r : head;
        head = r;
        queueLength++;
        if (r instanceof FinalReference) {
            sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);
        }
        lock.notifyAll();
        return true;
    }
}

通过上面的代码，可以知道java.lang.ref.Reference#next的用途了：

public abstract class Reference<T> {
    /* When active:   NULL
     *     pending:   this
     *    Enqueued:   指向ReferenceQueue中的下一个元素，如果没有，指向this
     *    Inactive:   this
     */
    Reference next;
    
    // ...
}

总结

一个使用Reference+ReferenceQueue的完整流程如下：

参考资料

• Java Reference详解 - robin-yao的个人页面 - 开源中国
• Internals of Java Reference Object
• java.lang.ref (Java Platform SE 7 )
• Java Reference Objects
• Java核心技术36讲 第4讲