JDK源码分析（7）之 Reference 框架概览
作者：互联网
对于Reference类大家可能会比较陌生，平时用的也比较少，对他的印象可能仅停在面试的时候查看引用相关的知识点；但在仔细查看源码后发现Reference还是非常实用的，平时我们使用的类都是强引用的，它的回收完全依赖于 GC；但是对于有些类我们想要自己控制的时候就比较麻烦，比如我想在内存还足够的时候就保留，不够的时候就回收，这时使用Reference就能够十分灵活的控制类的存亡了。
一、类定义
/**
* Abstract base class for reference objects. This class defines the
* operations common to all reference objects. Because reference objects are
* implemented in close cooperation with the garbage collector, this class may
* not be subclassed directly.
*
* @author Mark Reinhold
* @since 1.2
*/public abstract class Reference<T> {}从注释和类图中可以清楚的看到：
Reference类是直接配合GC操作的，所以不能直接子类化，但是可以继承Reference的子类；Reference类定义了子类的主要逻辑，所以在SoftReference、WeakReference和PhantomReference中几乎完全复用了Reference的逻辑；
二、Reference 框架结构
如图所示，Reference 的处理流程相当于事件处理
如果 new Reference 的时候如果没有传入 ReferenceQueue，相当于使用 JVM 的默认处理流程，达到一定条件的时候由GC回收；
如果 new Reference 的时候传入了 ReferenceQueue，相当于使用自定义的事件处理流程，此时的 ReferenceQueue 相当于事件监听器，Reference 则相当于每个事件，GC 标记的时候添加 discovered链表 相当于事件发现过程，pending和enqueued则相当于注册事件的过程，最后需要用户自定义事件处理逻辑；
在 Reference 的生命周期里面，一共有四个状态：
Active：每个引用的创建之初都是活动状态，直到下次 GC 的时候引用的强弱关系发生变化，同时不同的引用根据不同的策略改变状态；
Pending：正准备加入引用链表；
Enqueued：已经加入引用链表，相当于已经注册成功等待处理；
Inactive：所有的引用对象的终点，可回收状态；
三、可达性分析
上面我们提到当引用强弱关系发生变化的时候，他的状态会发生改变，那么这个强弱关系是如何判断的呢？
熟悉 JVM 的同学应该知道判断对象是否存活的算法大致有两种；
引用计数法，即每当有一个对象引用他的时候就加1，引用失效时减1，当任何时候计数都为0时，就代表对象可以被回收了；
可达性分析法，即从一组 GC Roots 对象出发，引用可达即代表存活，引用不可达就代表是可回收对象；如图所示：
上图仅表示了，强引用的回收，当加入了软引用，弱引用和虚应用之后：
单路径中，以最弱的引用为准
多路径中，以最强的引用为准
已上图为例：
对于 Obj 1：单路径可达，所以 GC Roots 到 Obj 1为弱引用；
对于 Obj 5：多路径可达，所以 GC Roots 到 Obj 5为软引用；
四、成员变量和构造函数
private T referent; /* Treated specially by GC */volatile ReferenceQueue<? super T> queue;volatile Reference next;transient private Reference<T> discovered; /* used by VM */private static Reference<Object> pending = null;
Reference(T referent) { this(referent, null);
}
Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) { this.referent = referent; this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
}referent：引用指向的对象，即需要Reference包装的对象；
queue：虽然
ReferenceQueue的名字里面有队列，但是它的内部却没有包含任何队列和链表的结构；他的内部封装了单向链表的添加，删除和遍历等操作，实际作用相当于事件监听器；next：引用单向链表；
discovered：discovered单向链表，由 JVM 维护；在 GC 标记的时候，当引用强弱关系达到一定条件时，由 JVM 添加；需要注意的是这个字段是 transient 修饰的，但是 Reference 类声明的时候却没有实现 Serializable 接口，这是因为 Reference 子类的子类可能实现 Serializable 接口，另外一般情况下也不建议实现 Serializable 接口；
pending：表示正在排队等待入队的引用；
五、重要函数
1. 初始化
static {
ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup(); for (ThreadGroup tgn = tg;
tgn != null;
tg = tgn, tgn = tg.getParent());
Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler"); /* If there were a special system-only priority greater than
* MAX_PRIORITY, it would be used here
*/
handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
handler.setDaemon(true);
handler.start(); // provide access in SharedSecrets
SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() { @Override
public boolean tryHandlePendingReference() { return tryHandlePending(false);
}
});
}可以看到在初始化的时候首先得到了层级最高的线程组即 System线程组，然后在里面加入了一个名为 “Reference Handler” 的 优先级最高 的 ReferenceHandler 线程；
接下来的一段代码是用于保证 JVM 在抛出 OOM 之前，原子性的清除非强引用的所有引用，如果空间仍然不足才会抛出 OOM；其中 SharedSecrets用于访问类的私有变量，于反射不同的是，它不会创建新的对象；比如：
package java.nio;// Class Bitsstatic void reserveMemory(long size, int cap) {
... // optimist!
if (tryReserveMemory(size, cap)) { return;
}
// 走到这里就说明空间已经不足了
final JavaLangRefAccess jlra = SharedSecrets.getJavaLangRefAccess();
// retry while helping enqueue pending Reference objects
// which includes executing pending Cleaner(s) which includes
// Cleaner(s) that free direct buffer memory
while (jlra.tryHandlePendingReference()) { if (tryReserveMemory(size, cap)) { return;
}
}
...
}有关 “Reference Handler” 的线程信息可以使用jstack [] <pid>抓取栈信息查看：
"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=0 tid=0x00007fa1ac154170 nid=0x32a7 in Object.wait() [0x00007fa19661f000] java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor) at java.lang.Object.wait(Native Method) at java.lang.Object.wait(Object.java:502) at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191) - locked <0x00000006c7e79bc0> (a java.lang.ref.Reference$Lock) at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)
2. ReferenceHandler 线程
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);
}
}
}可以看到这个线程只做了一件很简单的事情：
首先确保
InterruptedException和Cleaner已经加载，关于Cleaner就是一个虚引用的实际应用，后面还会详细讲到；然后死循环执行
tryHandlePending；
3. tryHandlePending 核心方法
/**
* Try handle pending {@link Reference} if there is one.<p>
* Return {@code true} as a hint that there might be another
* {@link Reference} pending or {@code false} when there are no more pending
* {@link Reference}s at the moment and the program can do some other
* useful work instead of looping.
*
* @param waitForNotify if {@code true} and there was no pending
* {@link Reference}, wait until notified from VM
* or interrupted; if {@code false}, return immediately
* when there is no pending {@link Reference}.
* @return {@code true} if there was a {@link Reference} pending and it
* was processed, or we waited for notification and either got it
* or thread was interrupted before being notified;
* {@code false} otherwise.
*/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) {
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) {
c.clean(); return true;
}
ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue; if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r); return true;
}这个方法主要完成了discovered -> pending -> enqueued的整个入队注册流程；值得注意的是虽然Cleaner是虚引用，但是它并不会入队，而是直接执行clean操作，也就意味着在使用Cleaner的时候不需要在起一个线程监听ReferenceQueue了；
4. ReferenceQueue 概览
static ReferenceQueue<Object> NULL = new Null<>();// 用于标记是否已经入队，防止重复入队static ReferenceQueue<Object> ENQUEUED = new Null<>();private volatile Reference<? extends T> head = null;private long queueLength = 0;// reference入队操作boolean enqueue(Reference<? extends T> r) { /* Called only by Reference class */// poll 移除reference链表头元素public Reference<? extends T> poll() { }// 移除reference链表下一个元素public Reference<? extends T> remove(long timeout) { }public Reference<? extends T> remove() throws InterruptedException { }void forEach(Consumer<? super Reference<? extends T>> action) { }从上面的代码也可以看出ReferenceQueue的确没有包含任何链表或者队列的结构，但是封装了单向的链表的操作；
总结
Reference 主要用于更加灵活的控制对象的生死，其实现类似于事件处理，可以是 JVM 默认处理，也可以是用户自定义的处理逻辑；
在 Java 语言中 Reference 类定义了子类（SoftReference，WeakReference，PhantomReference）的主要逻辑，但是判断引用回收的条件主要在 JVM 中定义（主要发生在 GC 标记阶段），如果你有兴趣可以到 OpenJDK 里面继续深入研究；
如果在使用 Reference 的时候传入了 ReferenceQueue，即使用自定义的逻辑处理，那么最后一定要把 ReferenceQueue 中注册的 Reference 移除，因为此时 GC 不会回收 ReferenceQueue 中的链表；
Reference Handler 线程只有一个，但是 Reference 链表却有很多条（所以在注册的时候需要加锁），另外每个 Class 对象都能同时生成多个引用对象，并注册 ReferenceQueue 。
标签：Reference,JDK,链表,源码,GC,ReferenceQueue,pending,引用 来源： https://blog.51cto.com/14028890/2389807