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Java Reference 源码分析

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());</object></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WeakHash Map等。

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

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

详解Java Reference源码分析代码

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

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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  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);

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