SoftReference

本文介绍对象的强、软、弱和虚引用的概念、应用及其在UML中的表示。

1．对象的强、软、弱和虚引用
   在JDK 1.2曾经的版本号中，若一个对象不被不论什么变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，仅仅有对象处于可触及（reachable）状态，程序才干使用它。从JDK 1.2版本号開始，把对象的引用分为4种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这4种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。图1为对象应用类层次。

图1

⑴强引用（StrongReference）
    强引用是使用最普遍的引用。假设一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠任意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。

⑵软引用（SoftReference）

    假设一个对象仅仅具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；假设内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。仅仅要垃圾回收器没有回收它，该对象就能够被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的快速缓存（下文给出演示样例）。

软引用能够和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，假设软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用增加到与之关联的引用队列中。

⑶弱引用（WeakReference）

    弱引用与软引用的差别在于：仅仅具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了仅仅具有弱引用的对象，无论当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。只是，因为垃圾回收器是一个优先级非常低的线程，因此不一定会非常快发现那些仅仅具有弱引用的对象。

弱引用能够和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，假设弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用增加到与之关联的引用队列中。

⑷虚引用（PhantomReference）

    “虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其它几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。假设一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有不论什么引用一样，在不论什么时候都可能被垃圾回收器回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个差别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，假设发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用增加到与之 关联的引用队列中。

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);

   程序能够通过推断引用队列中是否已经增加了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。假设程序发现某个虚引用已经被增加到引用队列，那么就能够在所引用的对象的内存被回收之前採取必要的行动。

2．对象可及性的推断

在非常多时候，一个对象并非从根集直接引用的，而是一个对象被其它对象引用，甚至同一时候被几个对象所引用，从而构成一个以根集为顶的树形结构。如图2所看到的

 

  在这个树形的引用链中，箭头的方向代表了引用的方向，所指向的对象是被引用对象。由图能够看出，从根集到一个对象能够由非常多条路径。比方到达对象5的路径就有①-⑤，③-⑦两条路径。由此带来了一个问题，那就是某个对象的可及性怎样推断:

◆单条引用路径可及性推断:在这条路径中，最弱的一个引用决定对象的可及性。
◆多条引用路径可及性推断:几条路径中，最强的一条的引用决定对象的可及性。

比方，我们如果图2中引用①和③为强引用，⑤为软引用，⑦为弱引用，对于对象5依照这两个推断原则，路径①-⑤取最弱的引用⑤，因此该路径对对象5的引用为软引用。相同，③-⑦为弱引用。在这两条路径之间取最强的引用，于是对象5是一个软可及对象。

3．使用软引用构建敏感数据的缓存

3.1 为什么须要使用软引用

    首先，我们看一个雇员信息查询系统的实例。我们将使用一个Java语言实现的雇员信息查询系统查询存储在磁盘文件或者数据库中的雇员人事档案信息。作为一个用户，我们全然有可能须要回头去查看几分钟甚至几秒钟前查看过的雇员档案信息(相同，我们在浏览WEB页面的时候也常常会使用“后退”button)。这时我们一般会有两种程序实现方式:一种是把过去查看过的雇员信息保存在内存中，每个存储了雇员档案信息的Java对象的生命周期贯穿整个应用程序始终;还有一种是当用户開始查看其它雇员的档案信息的时候，把存储了当前所查看的雇员档案信息的Java对象结束引用，使得垃圾收集线程能够回收其所占用的内存空间，当用户再次须要浏览该雇员的档案信息的时候，又一次构建该雇员的信息。非常显然，第一种实现方法将造成大量的内存浪费，而另外一种实现的缺陷在于即使垃圾收集线程还没有进行垃圾收集，包括雇员档案信息的对象仍然完善地保存在内存中，应用程序也要又一次构建一个对象。我们知道，訪问磁盘文件、訪问网络资源、查询数据库等操作都是影响应用程序执行性能的重要因素，假设能又一次获取那些尚未被回收的Java对象的引用，必将降低不必要的訪问，大大提高程序的执行速度。

3.2 怎样使用软引用

    SoftReference的特点是它的一个实例保存对一个Java对象的软引用，该软引用的存在最好还是碍垃圾收集线程对该Java对象的回收。也就是说，一旦SoftReference保存了对一个Java对象的软引用后，在垃圾线程对这个Java对象回收前，SoftReference类所提供的get()方法返回Java对象的强引用。另外，一旦垃圾线程回收该Java对象之后，get()方法将返回null。

看以下代码:

MyObject aRef = new?MyObject();
SoftReference aSoftRef=new SoftReference(aRef);

此时，对于这个MyObject对象，有两个引用路径，一个是来自SoftReference对象的软引用，一个来自变量aReference的强引用，所以这个MyObject对象是强可及对象。

随即，我们能够结束aReference对这个MyObject实例的强引用:

aRef = null;

   此后，这个MyObject对象成为了软可及对象。假设垃圾收集线程进行内存垃圾收集，并不会由于有一个SoftReference对该对象的引用而始终保留该对象。Java虚拟机的垃圾收集线程对软可及对象和其它一般Java对象进行了差别对待:软可及对象的清理是由垃圾收集线程依据其特定算法依照内存需求决定的。也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前回收软可及对象，并且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软可及对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软可反对象会被虚拟机尽可能保留。在回收这些对象之前，我们能够通过:

MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get();

又一次获得对该实例的强引用。而回收之后，调用get()方法就仅仅能得到null了。

3.3 使用ReferenceQueue清除失去了软引用对象的SoftReference

    作为一个Java对象，SoftReference对象除了具有保存软引用的特殊性之外，也具有Java对象的一般性。所以，当软可及对象被回收之后，尽管这个SoftReference对象的get()方法返回null,但这个SoftReference对象已经不再具有存在的价值，须要一个适当的清除机制，避免大量SoftReference对象带来的内存泄漏。在java.lang.ref包里还提供了ReferenceQueue。假设在创建SoftReference对象的时候，使用了一个ReferenceQueue对象作为參数提供给SoftReference的构造方法，如:

ReferenceQueue queue = new?ReferenceQueue();
SoftReference?ref=new?SoftReference(aMyObject, queue);

    那么当这个SoftReference所软引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同一时候，ref所强引用的SoftReference对象被列入ReferenceQueue。也就是说，ReferenceQueue中保存的对象是Reference对象，并且是已经失去了它所软引用的对象的Reference对象。另外从ReferenceQueue这个名字也能够看出，它是一个队列，当我们调用它的poll()方法的时候，假设这个队列中不是空队列，那么将返回队列前面的那个Reference对象。

在不论什么时候，我们都能够调用ReferenceQueue的poll()方法来检查是否有它所关心的非强可及对象被回收。假设队列为空，将返回一个null,否则该方法返回队列中前面的一个Reference对象。利用这种方法，我们能够检查哪个SoftReference所软引用的对象已经被回收。于是我们能够把这些失去所软引用的对象的SoftReference对象清除掉。经常使用的方式为:

SoftReference ref = null;

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

理解了ReferenceQueue的工作机制之后，我们就能够開始构造一个Java对象的快速缓存器了。

3.4通过软可及对象重获方法实现Java对象的快速缓存

    利用Java2平台垃圾收集机制的特性以及前述的垃圾对象重获方法，我们通过一个雇员信息查询系统的小样例来说明怎样构建一种快速缓存器来避免反复构建同一个对象带来的性能损失。我们将一个雇员的档案信息定义为一个Employee类:

public class Employee {
  private String id;// 雇员的标识号码
  private String name;// 雇员姓名
  private String department;// 该雇员所在部门
  private String Phone;// 该雇员联系电话
  private int salary;// 该雇员薪资
  private String origin;// 该雇员信息的来源

// 构造方法

public Employee(String id) { 
     this.id = id;
     getDataFromlnfoCenter();
}

// 到数据库中取得雇员信息

private void getDataFromlnfoCenter() {
  // 和数据库建立连接井查询该雇员的信息，将查询结果赋值
  // 给name，department，plone，salary等变量
  // 同一时候将origin赋值为"From DataBase"
}

……

   这个Employee类的构造方法中我们能够预见，假设每次须要查询一个雇员的信息。哪怕是几秒中之前刚刚查询过的，都要又一次构建一个实例，这是须要消耗非常多时间的。以下是一个对Employee对象进行缓存的缓存器的定义:

import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Hashtable;

public class EmployeeCache {
   static private EmployeeCache cache;// 一个Cache实例
   private Hashtable< String,EmployeeRef> employeeRefs;// 用于Chche内容的存储
   private ReferenceQueue< Employee> q;// 垃圾Reference的队列

   // 继承SoftReference，使得每个实例都具有可识别的标识。
     private class EmployeeRef extends SoftReference< Employee> {
      private String _key = "";
       public EmployeeRef(Employee em, ReferenceQueue< Employee> q) {
      super(em, q);
      _key = em.getID();
    }
   }

  // 构建一个缓存器实例
    private EmployeeCache() {
      employeeRefs = new Hashtable<String,EmployeeRef>();
       q = new ReferenceQueue<Employee>();

   }

    // 取得缓存器实例

public static EmployeeCache getInstance() {
    if (cache == null) {
       cache = new EmployeeCache();
   }
    return cache;

}

  // 以软引用的方式对一个Employee对象的实例进行引用并保存该引用
   private void cacheEmployee(Employee em) {
    cleanCache();// 清除垃圾引用
     EmployeeRef ref = new EmployeeRef(em, q);
     employeeRefs.put(em.getID(), ref);
   }

   // 根据所指定的ID号，又一次获取对应Employee对象的实例
    public Employee getEmployee(String ID) {
       Employee em = null;
        // 缓存中是否有该Employee实例的软引用，假设有，从软引用中取得。
       if (employeeRefs.containsKey(ID)) {
          EmployeeRef ref = (EmployeeRef) employeeRefs.get(ID);
          em = (Employee) ref.get();
       }

// 假设没有软引用，或者从软引用中得到的实例是null，又一次构建一个实例，
// 并保存对这个新建实例的软引用

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内的所有内容

public void clearCache() {
   cleanCache();
    employeeRefs.clear();
    System.gc();
    System.runFinalization();
   }

}

 

注：原来ReferenceQueue起到一个监听器的效果，当发现SoftReference.get()方法返回的是null值时，就会将SoftReference注冊到自己里面队列里，当我们调用ReferenceQueue的poll()方法时，返回并删除该SoftReference。