對象的強、軟、弱和虛引用

   本文介紹對象的強、軟、弱和虛引用的概念、應用及其在UML中的表示。
1．對象的強、軟、弱和虛引用

   在JDK 1.2以前的版本中，若一個對象不被任何變數引用，那麼程式就無法再使用這個對象。也就是說，只有對象處於可觸及（reachable）狀態，程式才能使用它。從JDK 1.2版本開始，把對象的引用分為4種層級，從而使程式能更加靈活地控制對象的生命週期。這4種層級由高到低依次為：強引用、軟引用、弱引用和虛引用。圖1為對象應用類層次。

圖1
⑴強引用（StrongReference）

    強引用是使用最普遍的引用。如果一個對象具有強引用，那記憶體回收行程絕不會回收它。當記憶體空間不足，Java虛擬機器寧願拋出OutOfMemoryError錯誤，使程式異常終止，也不會靠隨意回收具有強引用的對象來解決記憶體不足的問題。
⑵軟引用（SoftReference）

    如果一個對象只具有軟引用，則記憶體空間足夠，記憶體回收行程就不會回收它；如果記憶體空間不足了，就會回收這些對象的記憶體。只要記憶體回收行程沒有回收它，該對象就可以被程式使用。軟引用可用來實現記憶體敏感的快取（下文給出樣本）。

軟引用可以和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯合使用，如果軟引用所引用的對象被記憶體回收行程回收，Java虛擬機器就會把這個軟引用加入到與之關聯的引用隊列中。
⑶弱引用（WeakReference）

    弱引用與軟引用的區別在於：只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命週期。在記憶體回收行程線程掃描它所管轄的記憶體地區的過程中，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前記憶體空間足夠與否，都會回收它的記憶體。不過，由於記憶體回收行程是一個優先順序很低的線程，因此不一定會很快發現那些只具有弱引用的對象。
弱引用可以和一個引用隊列（ReferenceQueue）聯合使用，如果弱引用所引用的對象被記憶體回收，Java虛擬機器就會把這個弱引用加入到與之關聯的引用隊列中。
⑷虛引用（PhantomReference）

    “虛引用”顧名思義，就是形同虛設，與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定對象的生命週期。如果一個對象僅持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被記憶體回收行程回收。

虛引用主要用來跟蹤對象被記憶體回收行程回收的活動。虛引用與軟引用和弱引用的一個區別在於：虛引用必須和引用隊列 （ReferenceQueue）聯合使用。當記憶體回收行程準備回收一個對象時，如果發現它還有虛引用，就會在回收對象的記憶體之前，把這個虛引用加入到與之 關聯的引用隊列中。

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();

PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);

   程式可以通過判斷引用隊列中是否已經加入了虛引用，來瞭解被引用的對象是否將要被記憶體回收。如果程式發現某個虛引用已經被加入到引用隊列，那麼就可以在所引用的對象的記憶體被回收之前採取必要的行動。
2．對象可及性的判斷

在很多時候，一個對象並不是從根集直接引用的，而是一個對象被其他對象引用，甚至同時被幾個對象所引用，從而構成一個以根集為頂的樹形結構。2所示

  在這個樹形的引用鏈中，箭頭的方向代表了引用的方向，所指向的對象是被引用對象。由圖可以看出，從根集到一個對象可以由很多條路徑。比如到達對象5的路徑就有①-⑤，③-⑦兩條路徑。由此帶來了一個問題，那就是某個對象的可及性如何判斷:

◆單條引用路徑可及性判斷:在這條路徑中，最弱的一個引用決定對象的可及性。

◆多條引用路徑可及性判斷:幾條路徑中，最強的一條的引用決定對象的可及性。

比如，我們假設圖2中引用①和③為強引用，⑤為軟引用，⑦為弱引用，對於對象5按照這兩個判斷原則，路徑①-⑤取最弱的引用⑤，因此該路徑對對象5的引用為軟引用。同樣，③-⑦為弱引用。在這兩條路徑之間取最強的引用，於是對象5是一個軟可及對象。
3．使用軟引用構建敏感性資料的緩衝
3.1 為什麼需要使用軟引用

    首先，我們看一個僱員資訊查詢系統的執行個體。我們將使用一個Java語言實現的僱員資訊查詢系統查詢儲存在磁碟檔案或者資料庫中的僱員人事檔案資訊。作為一個使用者，我們完全有可能需要回頭去查看幾分鐘甚至幾秒鐘前查看過的僱員檔案資訊(同樣，我們在瀏覽WEB頁面的時候也經常會使用[上一頁] 按鈕)。這時我們通常會有兩種程式實現方式:一種是把過去查看過的僱員資訊儲存在記憶體中，每一個儲存了僱員檔案資訊的Java對象的生命週期貫穿整個應用程式始終;另一種是當使用者開始查看其他僱員的檔案資訊的時候，把儲存了當前所查看的僱員檔案資訊的Java對象結束引用，使得垃圾收集線程可以回收其所佔用的記憶體空間，當使用者再次需要瀏覽該僱員的檔案資訊的時候，重新構建該僱員的資訊。很顯然，第一種實現方法將造成大量的記憶體浪費，而第二種實現的缺陷在於即使垃圾收集線程還沒有進行垃圾收集，包含僱員檔案資訊的對象仍然完好地儲存在記憶體中，應用程式也要重新構建一個對象。我們知道，訪問磁碟檔案、訪問網路資源、查詢資料庫等操作都是影響應用程式執行效能的重要因素，如果能重新擷取那些尚未被回收的Java對象的引用，必將減少不必要的訪問，大大提高程式的運行速度。
3.2 如何使用軟引用

    SoftReference的特點是它的一個執行個體儲存對一個Java對象的軟引用，該軟引用的存在不妨礙垃圾收集線程對該Java對象的回收。也就是說，一旦SoftReference儲存了對一個Java對象的軟引用後，在垃圾線程對這個Java對象回收前，SoftReference類所提供的get()方法返回Java對象的強引用。另外，一旦垃圾線程回收該Java對象之後，get()方法將返回null。

看下面代碼:
MyObject aRef = new MyObject();

SoftReference aSoftRef=new SoftReference(aRef);

此時，對於這個MyObject對象，有兩個引用路徑，一個是來自SoftReference對象的軟引用，一個來自變數aReference的強引用，所以這個MyObject對象是強可及對象。

隨即，我們可以結束aReference對這個MyObject執行個體的強引用:
aRef = null;

   此後，這個MyObject對象成為了軟可及對象。如果垃圾收集線程進行記憶體垃圾收集，並不會因為有一個SoftReference對該對象的引用而始終保留該對象。Java虛擬機器的垃圾收集線程對軟可及對象和其他一般Java對象進行了區別對待:軟可及對象的清理是由垃圾收集線程根據其特定演算法按照記憶體需求決定的。也就是說，垃圾收集線程會在虛擬機器拋出OutOfMemoryError之前回收軟可及對象，而且虛擬機器會儘可能優先回收長時間閑置不用的軟可及對象，對那些剛剛構建的或剛剛使用過的“新”軟可反對象會被虛擬機器儘可能保留。在回收這些對象之前，我們可以通過:
MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get();

重新獲得對該執行個體的強引用。而回收之後，調用get()方法就只能得到null了。
3.3 使用ReferenceQueue清除失去了軟引用對象的SoftReference

    作為一個Java對象，SoftReference對象除了具有儲存軟引用的特殊性之外，也具有Java對象的一般性。所以，當軟可及對象被回收之後，雖然這個SoftReference對象的get()方法返回null,但這個SoftReference對象已經不再具有存在的價值，需要一個適當的清除機制，避免大量SoftReference對象帶來的記憶體流失。在java.lang.ref包裡還提供了ReferenceQueue。如果在建立SoftReference對象的時候，使用了一個ReferenceQueue對象作為參數提供給SoftReference的構造方法，如:
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

SoftReference ref=new SoftReference(aMyObject, queue);

    那麼當這個SoftReference所軟引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同時，ref所強引用的SoftReference對象被列入ReferenceQueue。也就是說，ReferenceQueue中儲存的對象是Reference對象，而且是已經失去了它所軟引用的對象的Reference對象。另外從ReferenceQueue這個名字也可以看出，它是一個隊列，當我們調用它的poll()方法的時候，如果這個隊列中不是空隊列，那麼將返回隊列前面的那個Reference對象。
在任何時候，我們都可以調用ReferenceQueue的poll()方法來檢查是否有它所關心的非強可及對象被回收。如果隊列為空白，將返回一個null,否則該方法返回隊列中前面的一個Reference對象。利用這個方法，我們可以檢查哪個SoftReference所軟引用的對象已經被回收。於是我們可以把這些失去所軟引用的對象的SoftReference對象清除掉。常用的方式為:
SoftReference ref = null;

while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {

   // 清除ref

}

理解了ReferenceQueue的工作機制之後，我們就可以開始構造一個Java對象的快取器了。
3.4、通過軟可及對象重獲方法實現Java對象的快取

    利用Java2平台垃圾收集機制的特性以及前述的垃圾對象重獲方法，我們通過一個僱員資訊查詢系統的小例子來說明如何構建一種快取器來避免重複構建同一個對象帶來的效能損失。我們將一個僱員的檔案資訊定義為一個Employee類:
public class Employee {
  private String id;// 僱員的標識號碼
  private String name;// 僱員姓名
  private String department;// 該僱員所在部門
  private String Phone;// 該僱員聯絡電話
  private int salary;// 該僱員薪資
  private String origin;// 該僱員資訊的來源
// 構造方法
public Employee(String id) { 

     this.id = id;

     getDataFromlnfoCenter();

}
// 到資料庫中取得僱員資訊
private void getDataFromlnfoCenter() {
  // 和資料庫建立串連井查詢該僱員的資訊，將查詢結果賦值

  // 給name，department，plone，salary等變數

  // 同時將origin賦值為"From DataBase"
}

……

   這個Employee類的構造方法中我們可以預見，如果每次需要查詢一個僱員的資訊。哪怕是幾秒中之前剛剛查詢過的，都要重新構建一個執行個體，這是需要消耗很多時間的。下面是一個對Employee對象進行緩衝的緩衝器的定義:
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Hashtable;
public class EmployeeCache {

   static private EmployeeCache cache;// 一個Cache執行個體
   private Hashtable< String,EmployeeRef> employeeRefs;// 用於Chche內容的儲存
   private ReferenceQueue< Employee> q;// 垃圾Reference的隊列
   // 繼承SoftReference，使得每一個執行個體都具有可識別的標識。
     private class EmployeeRef extends SoftReference< Employee> {
      private String _key = "";
       public EmployeeRef(Employee em, ReferenceQueue< Employee> q) {
      super(em, q);
      _key = em.getID();
    }
   }
  // 構建一個緩衝器執行個體
    private EmployeeCache() {
      employeeRefs = new Hashtable<String,EmployeeRef>();
       q = new ReferenceQueue<Employee>();
   }
    // 取得緩衝器執行個體
public static EmployeeCache getInstance() {
    if (cache == null) {
       cache = new EmployeeCache();
   }
    return cache;
}
  // 以軟引用的方式對一個Employee對象的執行個體進行引用並儲存該引用
   private void cacheEmployee(Employee em) {
    cleanCache();// 清除垃圾引用
     EmployeeRef ref = new EmployeeRef(em, q);
     employeeRefs.put(em.getID(), ref);
   }
   // 依據所指定的ID號，重新擷取相應Employee對象的執行個體
    public Employee getEmployee(String ID) {
       Employee em = null;
        // 緩衝中是否有該Employee執行個體的軟引用，如果有，從軟引用中取得。
       if (employeeRefs.containsKey(ID)) {
          EmployeeRef ref = (EmployeeRef) employeeRefs.get(ID);
          em = (Employee) ref.get();
       }
// 如果沒有軟引用，或者從軟引用中得到的執行個體是null，重新構建一個執行個體，

// 並儲存對這個建立執行個體的軟引用
if (em == null) {
   em = new Employee(ID);
    System.out.println("Retrieve From EmployeeInfoCenter. ID=" + ID);
    this.cacheEmployee(em);
   }
   return em;
   }
private void cleanCache() {
   EmployeeRef ref = null;
   while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {
    employeeRefs.remove(ref._key);
   }
   }
// 清除Cache內的全部內容
public void clearCache() {
   cleanCache();
    employeeRefs.clear();
    System.gc();
    System.runFinalization();
   }
}


註：原來ReferenceQueue只是起到一個監聽器的效果，當發現SoftReference.get()方法返回的是null值時，就會將SoftReference註冊到自己裡面隊列裡，當我們調用ReferenceQueue的poll()方法時，返回並刪除該SoftReference。