深入了解JAVA 軟引用

更新時間：2020年08月17日 15:53:00 作者：弗蘭克的貓

這篇文章主要介紹了JAVA 軟引用的相關資料，幫助大家更好的理解和學習，感興趣的朋友可以了解下

定義

軟引用是使用SoftReference創(chuàng)建的引用，強度弱于強引用，被其引用的對象在內(nèi)存不足的時候會被回收，不會產(chǎn)生內(nèi)存溢出。

說明

軟引用，顧名思義就是比較“軟”一點的引用。

當一個對象與GC Roots之間存在強引用時，無論何時都不會被GC回收掉。如果一個對象與GC Roots之間沒有強引用與其關聯(lián)而存在軟引用關聯(lián)時，那么垃圾回收器對它的態(tài)度就取決于內(nèi)存的緊張程度了。如果內(nèi)存空間足夠，垃圾回收器就不會回收這個對象，但如果內(nèi)存空間不足了，它就難逃被回收的厄運。

如果一個對象與GC Roots之間不存在強引用，但是存在軟引用，則稱這個對象為軟可達（soft reachable）對象。

在垃圾回收器沒有回收它的時候，軟可達對象就像強可達對象一樣，可以被程序正常訪問和使用，但是需要通過軟引用對象間接訪問，需要的話也能重新使用強引用將其關聯(lián)。所以軟引用適合用來做內(nèi)存敏感的高速緩存。

String s = new String("Frank");  // 創(chuàng)建強引用與String對象關聯(lián)，現(xiàn)在該String對象為強可達狀態(tài)
SoftReference<String> softRef = new SoftReference<String>(s);   // 再創(chuàng)建一個軟引用關聯(lián)該對象
s = null;    // 消除強引用，現(xiàn)在只剩下軟引用與其關聯(lián)，該String對象為軟可達狀態(tài)
s = softRef.get(); // 重新關聯(lián)上強引用

這里變量s持有對字符串對象的強引用，而softRef持有對該對象的軟引用，所以當執(zhí)行s = null后，字符串對象就只剩下軟引用了，這時如果因為內(nèi)存不足發(fā)生Full GC，就會把這個字符串對象回收掉。

注意，在垃圾回收器回收一個對象前，SoftReference類所提供的get方法會返回Java對象的強引用，一旦垃圾線程回收該對象之后，get方法將返回null。所以在獲取軟引用對象的代碼中，一定要先判斷返回是否為null，以免出現(xiàn)NullPointerException異常而導致應用崩潰。

下面的代碼會讓s再次持有對象的強引用：

s = softRef.get();

如果在softRef指向的對象被回收前，用強引用指向該對象，那這個對象又會變成強可達。

來看一個使用SoftReference的栗子：

public class TestA {
  static class OOMClass{
    private int[] oom = new int[1024 * 100];// 100KB
  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReferenceQueue<OOMClass> queue = new ReferenceQueue<>();
    List<SoftReference> list = new ArrayList<>();
    while(true){
      for (int i = 0; i < 100; i++) {
        list.add(new SoftReference<OOMClass>(new OOMClass(), queue));
      }
      Thread.sleep(500);
    }
  }
}

注意，ReferenceQueue中聲明的類型為OOMClass，即與SoftReference引用的類型一致。

設置一下虛擬機參數(shù)：

-verbose:gc -Xms4m -Xmx4m -Xmn2m

運行結果：

[GC (Allocation Failure) 1017K->432K(3584K), 0.0017239 secs]
[GC (Allocation Failure) 1072K->472K(3584K), 0.0099237 secs]
[GC (Allocation Failure) 1323K->1296K(3584K), 0.0009528 secs]
[GC (Allocation Failure) 2114K->2136K(3584K), 0.0009951 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2136K->1992K(3584K), 0.0040658 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2807K->2791K(3584K), 0.0036280 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2791K->373K(3584K), 0.0032477 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2786K->2773K(3584K), 0.0034554 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2773K->373K(3584K), 0.0032667 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2798K->2775K(3584K), 0.0036231 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2775K->375K(3584K), 0.0055482 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2799K->2776K(3584K), 0.0031358 secs]
...省略n次GC信息

在TestA中，我們使用死循環(huán)不斷的往list中添加新對象，如果是強引用，會很快因為內(nèi)存不足而拋出OOM，因為這里的堆內(nèi)存大小設置為了4M，而一個對象就有100KB，一個循環(huán)添加100個對象，也就是差不多10M，顯然一個循環(huán)都跑不完就會內(nèi)存不足，而這里，因為使用的是軟引用，所以JVM會在內(nèi)存不足的時候將軟引用回收掉。

[Full GC (Allocation Failure) 2791K->373K(3584K), 0.0032477 secs]

從這一條可以看出，在內(nèi)存不足發(fā)生Full GC時，回收掉了大部分的軟引用指向的對象，釋放了大量的內(nèi)存。

因為這里新生代只分配了2M，所以很快就會發(fā)生GC，如果你的程序運行沒有看到這個結果，請先確認一下虛擬機參數(shù)是否設置正確，如果設置正確還是沒有看到，那么將循環(huán)次數(shù)由1000改為10000或者100000在試試看。

應用場景

軟引用關聯(lián)的對象，只有在內(nèi)存不足的時候JVM才會回收該對象。這一點可以很好地用來解決OOM的問題，并且這個特性很適合用來實現(xiàn)緩存：比如網(wǎng)頁緩存、圖片緩存等。

現(xiàn)在考慮這樣一個場景，在很多應用中，都會出現(xiàn)大量的默認圖片，比如說QQ的默認頭像，應用內(nèi)的默認圖標等等，這些圖片很多地方會用到。

如果每次都去讀取圖片，由于讀取文件速度較慢，大量重復的讀取會導致性能下降。所以可以考慮將圖片緩存起來，需要的時候直接從內(nèi)存中讀取。但是，由于圖片占用內(nèi)存空間比較大，緩存的圖片過多會占用比較多的內(nèi)存，就可能比較容易發(fā)生OOM。這時候，軟引用就派得上用場了。

注意，SoftReference對象是用來保存軟引用的，但它同時也是一個Java對象。所以，當軟可及對象被回收之后，雖然這個SoftReference對象的get()方法返回null，但SoftReference對象本身并不是null，而此時這個SoftReference對象已經(jīng)不再具有存在的價值，需要一個適當?shù)那宄龣C制，避免大量SoftReference對象帶來的內(nèi)存泄漏。

ReferenceQueue就是用來保存這些需要被清理的引用對象的。軟引用可以和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用，如果軟引用所引用的對象被垃圾回收器回收，Java虛擬機就會把這個軟引用加入到與之關聯(lián)的引用隊列中。

下面用SoftReference來實現(xiàn)一個簡單的緩存類：

public class SoftCache<T> {
  // 引用隊列
  private ReferenceQueue<T> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
  // 保存軟引用集合，在引用對象被回收后銷毀
  private List<Reference<T>> list = new ArrayList<>();

  // 添加緩存對象
  public synchronized void add(T obj){
    // 構建軟引用
    Reference<T> reference = new SoftReference<T>(obj, referenceQueue);
    // 加入列表中
    list.add(reference);
  }

  // 獲取緩存對象
  public synchronized T get(int index){
    // 先對無效引用進行清理
    clear();
    if (index < 0 || list.size() < index){
      return null;
    }
    Reference<T> reference = list.get(index);
    return reference == null ? null : reference.get();
  }

  public int size(){
    return list.size();
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  private void clear(){
    Reference<T> reference;
    while (null != (reference = (Reference<T>) referenceQueue.poll())){
      list.remove(reference);
    }
  }
}

然后測試一下這個緩存類：

public class SoftCacheTest {
  private static int num = 0;

  public static void main(String[] args){
    SoftCache<OOMClass> softCache = new SoftCache<>();
    for (int i = 0; i < 40; i++) {
      softCache.add(new OOMClass("OOM Obj-" + ++num));
    }
    System.out.println(softCache.size());
    for (int i = 0; i < softCache.size(); i++) {
      OOMClass obj = softCache.get(i);
      System.out.println(obj == null ? "null" : obj.name);
    }
    System.out.println(softCache.size());
  }

  static class OOMClass{
    private String name;
    private int[] oom = new int[1024 * 100];// 100KB

    public OOMClass(String name) {
      this.name = name;
    }
  }
}

仍使用之前的虛擬機參數(shù)：

-verbose:gc -Xms4m -Xmx4m -Xmn2m

運行結果：

[GC (Allocation Failure) 1017K->432K(3584K), 0.0012236 secs]
[GC (Allocation Failure) 1117K->496K(3584K), 0.0016875 secs]
[GC (Allocation Failure) 1347K->1229K(3584K), 0.0015059 secs]
[GC (Allocation Failure) 2047K->2125K(3584K), 0.0018090 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2125K->1994K(3584K), 0.0054759 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2822K->2794K(3584K), 0.0023167 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2794K->376K(3584K), 0.0036056 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2795K->2776K(3584K), 0.0042365 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2776K->376K(3584K), 0.0035122 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2795K->2776K(3584K), 0.0054760 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2776K->376K(3584K), 0.0036965 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2802K->2777K(3584K), 0.0044513 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2777K->376K(3584K), 0.0041400 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2796K->2777K(3584K), 0.0025255 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2777K->376K(3584K), 0.0037690 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2817K->2777K(3584K), 0.0037759 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2777K->377K(3584K), 0.0042416 secs]
緩存列表大小：40
OOM Obj-37
OOM Obj-38
OOM Obj-39
OOM Obj-40
緩存列表大?。?

可以看到，緩存40個軟引用對象之后，如果一次性全部存儲，顯然內(nèi)存大小無法滿足，所以在不斷創(chuàng)建軟引用對象的過程中，不斷發(fā)生GC來進行垃圾回收，最終只有4個軟引用未被清理掉。

強引用與軟引用對比

沒有對比就沒有傷害，來將強引用和軟引用對比一下：

public class Test {

  static class OOMClass{
    private int[] oom = new int[1024];
  }

  public static void main(String[] args) {
    testStrongReference();
    //testSoftReference();
  }

  public static void testStrongReference(){
    List<OOMClass> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      list.add(new OOMClass());
    }
  }

  public static void testSoftReference(){
    ReferenceQueue<OOMClass> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    List<SoftReference> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      OOMClass oomClass = new OOMClass();
      list.add(new SoftReference(oomClass, referenceQueue));
      oomClass = null;
    }
  }
}

運行testStrongReference方法的結果如下：

[GC (Allocation Failure) 1019K->384K(3584K), 0.0033595 secs]
[GC (Allocation Failure) 1406K->856K(3584K), 0.0013098 secs]
[GC (Allocation Failure) 1880K->1836K(3584K), 0.0014382 secs]
[Full GC (Ergonomics) 1836K->1756K(3584K), 0.0039761 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2778K->2758K(3584K), 0.0021269 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2779K->2770K(3584K), 0.0016329 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2779K->2775K(3584K), 0.0023157 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2775K->2775K(3584K), 0.0015927 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3037K->3029K(3584K), 0.0025071 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3067K->3065K(3584K), 0.0017529 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 3065K->3047K(3584K), 0.0033445 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3068K->3059K(3584K), 0.0016623 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3070K->3068K(3584K), 0.0028357 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 3068K->3068K(3584K), 0.0017616 secs]
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3352.hprof ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Heap dump file created [3855956 bytes in 0.017 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3071K->376K(3584K), 0.0032068 secs]
at reference.Test$OOMClass.<init>(Test.java:11)
at reference.Test.testStrongReference(Test.java:22)
at reference.Test.main(Test.java:15)

Process finished with exit code 1

可以看到，很快就拋出了OOM，原因是Java heap space，也就是堆內(nèi)存不足。

如果運行testSoftReference方法，將會得到如下結果：

[GC (Allocation Failure) 1019K->464K(3584K), 0.0019850 secs]
[GC (Allocation Failure) 1484K->844K(3584K), 0.0015920 secs]
[GC (Allocation Failure) 1868K->1860K(3584K), 0.0043236 secs]
[Full GC (Ergonomics) 1860K->1781K(3584K), 0.0044581 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2802K->2754K(3584K), 0.0041726 secs]
[Full GC (Ergonomics) 2802K->2799K(3584K), 0.0031293 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3023K->3023K(3584K), 0.0024830 secs]
[Full GC (Ergonomics) 3071K->3068K(3584K), 0.0035025 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 3068K->405K(3584K), 0.0040672 secs]
[GC (Allocation Failure) 1512K->1567K(3584K), 0.0011170 secs]
[Full GC (Ergonomics) 1567K->1496K(3584K), 0.0048438 secs]

可以看到，并沒有拋出OOM，而是進行多次了GC，可以明顯的看到這一條：