掘金 后端 ( ) • 2024-03-18 15:35
Java中的引用类型： 弱引用、软引用与强引用详解
类型 详解

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环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

前言

在Java开发中，我们经常会遇到内存泄露、OOM等问题，其中与垃圾回收机制相关的问题也是我们需要注意的。Java中的引用类型分为强引用、软引用和弱引用，理解它们之间的区别和使用场景对于我们优化内存管理、提高程序性能都是非常有益的。本文将详细介绍Java中的三种引用类型的概念、源代码解析、优缺点分析以及应用场景案例，旨在帮助读者深入理解Java中引用类型的使用方法。

摘要

Java中引用类型包含强引用、软引用和弱引用三种类型，其中强引用是最常用的一种引用类型，其具有最高的优先级；软引用是指向一些有用但非必需的对象，可以在内存不足时回收；弱引用则是一种比软引用更加弱化的引用类型，常用于关联非必须对象的引用。本文将对这三种引用类型进行详细分析。

弱引用、软引用与强引用详解

简介

Java中引用类型是与内存回收机制相关的重要类型，它们的主要作用是帮助我们管理内存，在程序中对于不再被使用的内存进行回收。Java中引用类型主要包含强引用、软引用和弱引用三种类型。

强引用

强引用是默认的引用类型，在Java中使用最广泛。如果一个对象具有强引用，那么垃圾回收器就不会回收它，只有当内存不足时才会抛出OOM错误。

MyObject obj = new MyObject();

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其赋值给一个强引用obj。只要obj存在，MyObject对象就不会被垃圾回收器回收。

软引用

软引用是指向一些有用但非必需的对象，可以在内存不足时回收。当内存不足时，垃圾回收器会回收被软引用指向的对象。软引用通常用于实现内存敏感的缓存等数据结构。

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

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其封装在一个软引用中。只有在内存不足时，MyObject对象才会被回收。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

弱引用

弱引用则是一种比软引用更加弱化的引用类型，常用于关联非必须对象的引用。如果一个对象仅持有弱引用，那么垃圾回收器在运行时，无论内存是否足够，都会回收这个对象。

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

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其封装在一个弱引用中。无论内存是否足够，MyObject对象都可能会被垃圾回收器回收。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

源代码解析

强引用

强引用是Java中默认的引用类型，在Java程序中最为常用。它的原理非常简单，当一个对象具有一个强引用时，垃圾回收器就不会回收它。

MyObject obj = new MyObject();

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其赋值给一个强引用obj。此时如果obj存在，MyObject对象就不会被垃圾回收器回收。

软引用

软引用是Java中的一种引用类型，用于指向那些有用但非必需的对象，可以在内存不足时回收。当内存不足时，垃圾回收器会回收被软引用指向的对象。

软引用常常用于实现内存敏感的缓存等数据结构。下面是一个简单的软引用的示例代码：

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

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其封装在一个软引用中。只有在内存不足时，MyObject对象才会被回收。

弱引用

弱引用则是一种比软引用更加弱化的引用类型，常用于关联非必须对象的引用。如果一个对象仅持有弱引用，那么垃圾回收器在运行时，无论内存是否足够，都会回收这个对象。下面是一个简单的弱引用的示例代码：

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

上面的代码创建了一个MyObject对象，并将其封装在一个弱引用中。无论内存是否足够，MyObject对象都可能会被垃圾回收器回收。

应用场景案例

强引用

强引用是默认的引用类型，在Java程序中最为常用。强引用可以用于那些即便被回收也不会造成系统错误的对象，如程序的静态变量或者实例变量。下面是一个使用强引用的示例代码：

public class Cache {
    private Map<String, MyObject>cache = new HashMap<>();

    public void put(String key, MyObject value) {
        cache.put(key, value);
    }

    public MyObject get(String key) {
        return cache.get(key);
    }
}

上面的代码创建了一个缓存Cache，使用Map存储键值对，其中MyObject对象使用强引用。

拓展：

这段代码定义了一个名为Cache的类，它包含一个私有的Map成员变量cache，用于存储字符串和MyObject对象的键值对。它提供了put和get方法，以将对象放入缓存中或从缓存中获取对象。

put方法使用传入的key和value参数将键值对存储在map中，其中key是一个字符串，value是一个类型为MyObject的对象。

get方法以key为参数，并返回存储在map中与该key关联的MyObject对象。如果map中不存在该key，则返回null。

此实现可用于简单的缓存系统，允许开发人员将对象存储在内存中，并在需要时快速检索它们。

软引用

软引用主要用于实现内存敏感的缓存等数据结构。下面是一个简单的缓存管理器示例代码，其中使用了软引用：

public class CacheManager {
    private Map<String, SoftReference<MyObject>>cache = new HashMap<>();

    public void put(String key, MyObject value) {
        cache.put(key, new SoftReference<>(value));
    }

    public MyObject get(String key) {
        SoftReference<MyObject>softRef = cache.get(key);
        if (softRef != null) {
            return softRef.get();
        }
        return null;
    }
}

上面的代码创建了一个缓存管理器CacheManager，使用Map存储键值对。其中MyObject对象使用软引用，缓存管理器会在内存不足的时候自动清除这些对象。

拓展：

这是一个缓存管理器类，使用软引用来管理对象缓存，可以避免内存溢出的问题。

这缓存管理器通过一个 Map 来维护 key-value 对，并使用 SoftReference 来包装 MyObject 对象，使其成为软引用对象。put 方法将一个 key-value 对放入缓存中，使用 SoftReference 包装 value，get 方法则通过 key 获取对应的 SoftReference，并调用 SoftReference 的 get 方法获取 value 对象。如果获取不到 SoftReference 对象，则说明缓存中不存在该 key 对应的对象，返回 null。如果 SoftReference 存在但经过垃圾回收后 value 对象已被回收，则同样返回 null。

这由于软引用的特性，在内存不足且需要释放内存时，JVM 可以自动回收软引用所包装的对象，从而释放内存。这就避免了强引用所带来的内存泄漏问题，也避免了弱引用所带来的及时回收问题，使得软引用成为一种比较理想的内存管理方式。

弱引用

弱引用经常用于关联非必须对象的引用。下面是一个简单的代码示例，其中使用了弱引用：

public class Cache {
    private Map<String, WeakReference<MyObject>>cache = new HashMap<>();

    public void put(String key, MyObject value) {
        cache.put(key, new WeakReference<>(value));
    }

    public MyObject get(String key) {
        WeakReference<MyObject>weakRef = cache.get(key);
        if (weakRef != null) {
            return weakRef.get();
        }
        return null;
    }
}

上面的代码创建了一个缓存Cache，使用Map存储键值对。其中MyObject对象使用弱引用，缓存管理器会在内存不足的时候自动清除这些对象。

拓展：

该代码实现了一个简单的缓存类，使用了HashMap和WeakReference。其中，HashMap用于存储键值对，而WeakReference用于对MyObject对象进行弱引用，避免在内存不足时引起OOM。

具体来说，当调用put方法时，将传入的key和MyObject对象封装在一个WeakReference中，再将其存入HashMap中。当需要获取某个key对应的对象时，先从HashMap中获取对应的WeakReference对象，再通过调用WeakReference的get方法获取MyObject对象。需要注意的是，由于WeakReference只是进行弱引用，当该对象没有强引用时，可能会被垃圾回收器回收，因此get方法的返回值可能为空。

此外，由于该代码没有对缓存进行任何清理，若缓存中的对象数量过多或者占用内存过大，可能会导致内存泄漏或OOM等问题。因此，建议在实际应用中对缓存进行定期清理或实现LRU策略等操作，以维持缓存的有效性和安全性。

优缺点分析

强引用

强引用是Java中默认的引用类型，使用最为广泛。它具有如下优点：

  • 强引用能够保证在任何时候都能够访问到其指向的对象，因此非常方便。

但也具有如下缺点：

  • 强引用可能导致内存泄露。如果一个对象具有强引用，即使它已经不再需要，垃圾回收器也不会回收它。这种情况下，如果这种对象占用的内存很大，就可能会导致内存泄露问题。

软引用

软引用是Java中的一种引用类型，用于指向那些有用但非必需的对象，可以在内存不足时回收。它具有如下优点：

  • 软引用可以有效地避免内存泄露问题。当内存不足时，垃圾回收器会回收被软引用指向的对象，从而释放内存。

但也具有如下缺点：

  • 软引用可能导致应用程序性能下降。当内存不足时，如果被软引用指向的对象很多，就会导致大量的垃圾回收操作，从而降低应用程序的性能。

弱引用

弱引用则是一种比软引用更加弱化的引用类型，常用于关联非必须对象的引用。它具有如下优点：

  • 弱引用可以有效地避免内存泄露问题。无论内存是否足够，垃圾回收器都可能会回收被弱引用指向的对象，从而释放内存。

但也具有如下缺点：

  • 弱引用有可能导致对象被过早地回收。由于弱引用指向的对象不再具有强引用，因此即使应用程序还需要这些对象，它们也有可能会被垃圾回收器回收。

测试用例

测试代码演示

Java中的引用类型分为强引用、软引用和弱引用。一般情况下，开发者使用的都是强引用来引用对象。当对象已经没有任何引用时，Java的垃圾回收器会自动回收这个没有引用的对象。但是如果我们需要在某些特殊场景中，对某些对象进行“缓存”或者“预处理”，需要在对象没有引用时不要立即回收它们，而是希望它们能够在需要的时候再被回收，这个时候就需要使用Java的软引用和弱引用了。

下面是一个测试用例，演示Java中的强引用、软引用和弱引用的不同特点：

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.lang.ref.WeakReference;

public class ReferenceTypeTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testStrongReference();
        testSoftReference();
        testWeakReference();
    }

    private static void testStrongReference() {
        Object obj = new Object();
        System.out.println("Strong reference: " + obj);
        obj = null;
        System.gc();
        System.out.println("After gc, Strong reference: " + obj);
    }

    private static void testSoftReference() {
        SoftReference<Object> obj = new SoftReference<>(new Object());
        System.out.println("Soft reference: " + obj.get());
        System.gc();
        System.out.println("After gc, Soft reference: " + obj.get());
    }

    private static void testWeakReference() throws InterruptedException {
        WeakReference<Object> obj = new WeakReference<>(new Object());
        System.out.println("Weak reference: " + obj.get());
        System.gc();
        System.out.println("After gc, Weak reference: " + obj.get());

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("After 1s, Weak reference: " + obj.get());
    }
}

输出结果：

Strong reference: java.lang.Object@5acf9800
After gc, Strong reference: null
Soft reference: java.lang.Object@5acf9800
After gc, Soft reference: java.lang.Object@5acf9800
Weak reference: java.lang.Object@5acf9800
After gc, Weak reference: null
After 1s, Weak reference: null

可以看到：

  • 在强引用中，当对象没有引用时，垃圾回收器会立即回收这个对象。
  • 在软引用中，当内存空间足够时，对象不会被回收；当内存空间不足时，对象会被回收。
  • 在弱引用中，当垃圾回收器扫描到这个对象时，无论内存空间是否足够，都会将对象回收。在时间上，弱引用比软引用更容易回收。

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

在这里插入图片描述

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

这是一个测试Java中三种引用类型（强引用、软引用、弱引用）的代码。其中：

  • testStrongReference()方法创建一个强引用对象，将其赋值给变量obj，之后将obj设置为null，然后调用System.gc()进行垃圾回收，最后输出obj的值。由于强引用是Java中默认的引用类型，当强引用被置为null后，该对象就会成为垃圾，被回收，因此输出为null。
  • testSoftReference()方法创建一个软引用对象，并使用get()方法获取其引用的对象，输出该对象，然后调用System.gc()进行垃圾回收，再次输出该对象。由于软引用类型的特性是：当内存不足时，JVM会回收软引用对象，故在调用System.gc()后，未必能清理掉软引用对象，输出的结果大概率是一样的。
  • testWeakReference()方法创建一个弱引用对象，使用get()方法输出该对象，然后调用System.gc()进行垃圾回收，再次输出该对象。由于弱引用类型的特性是：一旦一个弱引用对象被垃圾回收器确定为垃圾，被回收后，就会被立即清理，所以在调用System.gc()后，输出的结果应该为null。另外，为了让JVM有机会回收该对象，代码中还使用了Thread.sleep()进行等待，确保JVM有时间进行垃圾回收。

结论

Java中的引用类型包含强引用、软引用和弱引用三种类型。这三种引用类型在应用程序开发中都有其独特的优缺点，开发者需要根据不同的场景选择合适的引用类型。在合理地使用引用类型的同时，也需要注意避免内存泄露等问题的发生。

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附录源码

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