Java：强引用，软引用，弱引用和虚引用

(一) 强引用(StrongReference)
强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。如下：

  Object strongReference = new Object();

当内存空间不足时，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
如果强引用对象不使用时，需要弱化从而使GC能够回收，如下：

strongReference = null;

显式地设置strongReference对象为null，或让其超出对象的生命周期范围，则gc认为该对象不存在引用，这时就可以回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于GC算法。

  public void test() {
        Object strongReference = new Object();
        // 省略其他操作
    }

在一个方法的内部有一个强引用，这个引用保存在Java栈中，而真正的引用内容(Object)保存在Java堆中。
当这个方法运行完成后，就会退出方法栈，则引用对象的引用数为0，这个对象会被回收。
但是如果这个strongReference是全局变量时，就需要在不用这个对象时赋值为null，因为强引用不会被垃圾回收。

比如ArraryList类的clear方法中就是通过将引用赋值为null来实现清理工作的：

public void clear() {
      modCount++;
 
      // Let gc do its work
      for (int i = 0; i < size; i++)
          elementData[i] = null;
 
      size = 0;
}

在ArrayList类中定义了一个私有的变量elementData数组，在调用方法清空数组时可以看到为每个数组内容赋值为null。不同于elementData=null，强引用仍然存在，避免在后续调用 add()等方法添加元素时进行重新的内存分配。使用如clear()方法中释放内存的方法对数组中存放的引用类型特别适用，这样就可以及时释放内存。

二、软引用
软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示。对于软引用关联着的对象，只有在内存不足的时候JVM才会回收该对象。因此，这一点可以很好地用来解决OOM的问题，并且这个特性很适合用来实现缓存：软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。比如网页缓存、图片缓存等。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被JVM回收，这个软引用就会被加入到与之关联的引用队列中。

// 强引用
String strongReference = new String("abc");
// 软引用
String str = new String("abc");
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用。如果软引用所引用对象被垃圾回收，JAVA虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

    ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    String str = new String("abc");
    SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue);

    str = null;
    // Notify GC
    System.gc();

    System.out.println(softReference.get()); // abc

    Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll();
    System.out.println(reference); //null

注意：软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，JVM什么时候扫描回收对象是JVM自己的状态决定的。就算扫描到软引用对象也不一定会回收它，只有内存不够的时候才会回收。
当内存不足时，JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

 if(JVM内存不足) {
        // 将软引用中的对象引用置为null
        str = null;
        // 通知垃圾回收器进行回收
        System.gc();
    }

也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前回收软引用对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软引用对象。对那些刚构建的或刚使用过的“较新的”软对象会被虚拟机尽可能保留，这就是引入引用队列ReferenceQueue的原因。
应用场景：
浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了。

• 如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建；
• 如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出。

这时候就可以使用软引用，很好的解决了实际的问题：

 // 获取浏览器对象进行浏览
    Browser browser = new Browser();
    // 从后台程序加载浏览页面
    BrowserPage page = browser.getPage();
    // 将浏览完毕的页面置为软引用
    SoftReference softReference = new SoftReference(page);

    // 回退或者再次浏览此页面时
    if(softReference.get() != null) {
        // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
        page = softReference.get();
    } else {
        // 内存不足，软引用的对象已经回收
        page = browser.getPage();
        // 重新构建软引用
        softReference = new SoftReference(page);
    }

(三) 弱引用(WeakReference)
弱引用与软引用的区别在于：只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，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

    String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    str = null;

JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

    str = null;
    System.gc();

注意：如果一个对象是偶尔(很少)的使用，并且希望在使用时随时就能获取到，但又不想影响此对象的垃圾收集，那么你应该用Weak Reference来记住此对象。
下面的代码会让一个弱引用再次变为一个强引用：

    String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    // 弱引用转强引用
    String strongReference = weakReference.get();

同样，弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用，如果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加入到与之关联的引用队列中。
简单测试：
GCTarget.java

public class GCTarget {
    // 对象的ID
    public String id;

    // 占用内存空间
    byte[] buffer = new byte[1024];

    public GCTarget(String id) {
        this.id = id;
    }

    protected void finalize() throws Throwable {
        // 执行垃圾回收时打印显示对象ID
        System.out.println("Finalizing GCTarget, id is : " + id);
    }
}

GCTargetWeakReference.java

public class GCTargetWeakReference extends WeakReference<GCTarget> {
    // 弱引用的ID
    public String id;

    public GCTargetWeakReference(GCTarget gcTarget,
              ReferenceQueue<? super GCTarget> queue) {
        super(gcTarget, queue);
        this.id = gcTarget.id;
    }

    protected void finalize() {
        System.out.println("Finalizing GCTargetWeakReference " + id);
    }
}

WeakReferenceTest.java

public class WeakReferenceTest {
    // 弱引用队列
    private final static ReferenceQueue<GCTarget> REFERENCE_QUEUE = new ReferenceQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<GCTargetWeakReference> gcTargetList = new LinkedList<>();

        // 创建弱引用的对象，依次加入链表中
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            GCTarget gcTarget = new GCTarget(String.valueOf(i));
            GCTargetWeakReference weakReference = new GCTargetWeakReference(gcTarget,
                REFERENCE_QUEUE);
            gcTargetList.add(weakReference);

            System.out.println("Just created GCTargetWeakReference obj: " +
                gcTargetList.getLast());
        }

        // 通知GC进行垃圾回收
        System.gc();

        try {
            // 休息几分钟，等待上面的垃圾回收线程运行完成
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 检查关联的引用队列是否为空
        Reference<? extends GCTarget> reference;
        while((reference = REFERENCE_QUEUE.poll()) != null) {
            if(reference instanceof GCTargetWeakReference) {
                System.out.println("In queue, id is: " +
                    ((GCTargetWeakReference) (reference)).id);
            }
        }
    }
}

可见WeakReference对象的生命周期基本由垃圾回收器决定，一旦垃圾回收线程发现了弱引用对象，在下一次GC过程中就会对其进行回收。

(四) 虚引用(PhantomReference)
虚引用顾名思义，就是形同虚设。与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。
应用场景：
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区别在于：
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，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

    String str = new String("abc");
    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
    // 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联
    PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);

程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要进行垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。
总结
Java中4种引用的级别和强度由高到低依次为：强引用 -> 软引用 -> 弱引用 -> 虚引用
当垃圾回收器回收时，某些对象会被回收，某些不会被回收。垃圾回收器会从根对象Object来标记存活的对象，然后将某些不可达的对象和一些引用的对象进行回收。
通过表格来说明一下，如下： 

引用类型	被垃圾回收时间	用途	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM停止运行时终止
软引用	当内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
弱引用	正常垃圾回收时	对象缓存	垃圾回收后终止
虚引用	正常垃圾回收时	跟踪对象的垃圾回收	垃圾回收后终止