面試中經(jīng)常被問到Java引用類型原理，帶你深入剖析

作者：Java456 2022-01-12 09:08:37

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現(xiàn)，這三種引用類型都是繼承于Reference這個類，主要邏輯也在Reference中。

1.選擇唯一性索引

唯一性索引的值是唯一的，可以更快速的通過該索引來確定某條記錄。例如，學(xué)生表中學(xué)號是具有唯一性的字段。為該字段建立唯一性索引可以很快的確定某個學(xué)生的信息。如果使用姓名的話，可能存在同名現(xiàn)象，從而降低查詢速度。

2.為經(jīng)常需要排序、分組和聯(lián)合操作的字段建立索引

經(jīng)常需要ORDER BY、GROUP BY、DISTINCT和UNION等操作的字段，排序操作會浪費(fèi)很多時間。如果為其建立索引，可以有效地避免排序操作。

3.為常作為查詢條件的字段建立索引

如果某個字段經(jīng)常用來做查詢條件，那么該字段的查詢速度會影響整個表的查詢速度。因此，為這樣的字段建立索引，可以提高整個表的查詢速度。

4.限制索引的數(shù)目

索引的數(shù)目不是越多越好。每個索引都需要占用磁盤空間，索引越多，需要的磁盤空間就越大。修改表時，對索引的重構(gòu)和更新很麻煩。越多的索引，會使更新表變得很浪費(fèi)時間。

5.盡量使用數(shù)據(jù)量少的索引

如果索引的值很長，那么查詢的速度會受到影響。例如，對一個CHAR(100)類型的字段進(jìn)行全文檢索需要的時間肯定要比對CHAR(10)類型的字段需要的時間要多。

6.盡量使用前綴來索引

如果索引字段的值很長，最好使用值的前綴來索引。例如，TEXT和BLOG類型的字段，進(jìn)行全文檢索會很浪費(fèi)時間。如果只檢索字段的前面的若干個字符，這樣可以提高檢索速度。

7.刪除不再使用或者很少使用的索引

表中的數(shù)據(jù)被大量更新，或者數(shù)據(jù)的使用方式被改變后，原有的一些索引可能不再需要。數(shù)據(jù)庫管理員應(yīng)當(dāng)定期找出這些索引，將它們刪除，從而減少索引對更新操作的影響。

8.最左前綴匹配原則，非常重要的原則。

mysql會一直向右匹配直到遇到范圍查詢(>、<、between、like)就停止匹配，比如a 1=”” and=”” b=”2” c=”“> 3 and d = 4 如果建立(a,b,c,d)順序的索引，d是用不到索引的，如果建立(a,b,d,c)的索引則都可以用到，a,b,d的順序可以任意調(diào)整。

9.=和in可以亂序。

比如a = 1 and b = 2 and c = 3 建立(a,b,c)索引可以任意順序，mysql的查詢優(yōu)化器會幫你優(yōu)化成索引可以識別的形式

10.盡量選擇區(qū)分度高的列作為索引。

區(qū)分度的公式是count(distinct col)/count(*)，表示字段不重復(fù)的比例，比例越大我們掃描的記錄數(shù)越少，唯一鍵的區(qū)分度是1，而一些狀態(tài)、性別字段可能在大數(shù)據(jù)面前區(qū)分度就是0，那可能有人會問，這個比例有什么經(jīng)驗值嗎?使用場景不同，這個值也很難確定，一般需要join的字段我們都要求是0.1以上，即平均1條掃描10條記錄

11.索引列不能參與計算，保持列“干凈”。

比如from_unixtime(create_time) = ’2014-05-29’就不能使用到索引，原因很簡單，b+樹中存的都是數(shù)據(jù)表中的字段值，但進(jìn)行檢索時，需要把所有元素都應(yīng)用函數(shù)才能比較，顯然成本太大。所以語句應(yīng)該寫成create_time = unix_timestamp(’2014-05-29’);

12.盡量的擴(kuò)展索引，不要新建索引。

比如表中已經(jīng)有a的索引，現(xiàn)在要加(a,b)的索引，那么只需要修改原來的索引即可

注意：選擇索引的最終目的是為了使查詢的速度變快。上面給出的原則是最基本的準(zhǔn)則，但不能拘泥于上面的準(zhǔn)則。讀者要在以后的學(xué)習(xí)和工作中進(jìn)行不斷的實踐。根據(jù)應(yīng)用的實際情況進(jìn)行分析和判斷，選擇最合適的索引方式。

Java中一共有4種引用類型(其實還有一些其他的引用類型比如FinalReference)：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用。

其中強(qiáng)引用就是我們經(jīng)常使用的Object a = new Object(); 這樣的形式，在Java中并沒有對應(yīng)的Reference類。

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現(xiàn)，這三種引用類型都是繼承于Reference這個類，主要邏輯也在Reference中。

問題

在分析前，先拋幾個問題?

網(wǎng)上大多數(shù)文章對于軟引用的介紹是：在內(nèi)存不足的時候才會被回收，那內(nèi)存不足是怎么定義的?什么才叫內(nèi)存不足?
網(wǎng)上大多數(shù)文章對于虛引用的介紹是：形同虛設(shè)，虛引用并不會決定對象的生命周期。主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎?
虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢?

Reference

我們先看下Reference.java中的幾個字段

public abstract class Reference<T> { 
    //引用的對象 
    private T referent;         
    //回收隊列，由使用者在Reference的構(gòu)造函數(shù)中指定 
    volatile ReferenceQueue<? super T> queue; 
     //當(dāng)該引用被加入到queue中的時候，該字段被設(shè)置為queue中的下一個元素，以形成鏈表結(jié)構(gòu) 
    volatile Reference next; 
    //在GC時，JVM底層會維護(hù)一個叫DiscoveredList的鏈表，存放的是Reference對象，discovered字段指向的就是鏈表中的下一個元素，由JVM設(shè)置 
    transient private Reference<T> discovered;   
    //進(jìn)行線程同步的鎖對象 
    static private class Lock { } 
    private static Lock lock = new Lock(); 
    //等待加入queue的Reference對象，在GC時由JVM設(shè)置，會有一個java層的線程(ReferenceHandler)源源不斷的從pending中提取元素加入到queue 
    private static Reference<Object> pending = null; 
}

一個Reference對象的生命周期如下：

主要分為Native層和Java層兩個部分。

Native層在GC時將需要被回收的Reference對象加入到DiscoveredList中(代碼在referenceProcessor.cpp中

process_discovered_references方法)，然后將DiscoveredList的元素移動到PendingList中(代碼在referenceProcessor.cpp中enqueue_discovered_ref_helper方法),PendingList的隊首就是Reference類中的pending對象。

看看Java層的代碼

private static class ReferenceHandler extends Thread { 
         ... 
        public void run() { 
            while (true) { 
                tryHandlePending(true); 
            } 
        } 
  }  
static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) { 
        Reference<Object> r; 
        Cleaner c; 
        try { 
            synchronized (lock) { 
                if (pending != null) { 
                    r = pending; 
                     //如果是Cleaner對象，則記錄下來，下面做特殊處理 
                    c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null; 
                    //指向PendingList的下一個對象 
                    pending = r.discovered; 
                    r.discovered = null; 
                } else { 
                   //如果pending為null就先等待，當(dāng)有對象加入到PendingList中時，jvm會執(zhí)行notify 
                    if (waitForNotify) { 
                        lock.wait(); 
                    } 
                    // retry if waited 
                    return waitForNotify; 
                } 
            } 
        }  
        ... 
 
        // 如果時CLeaner對象，則調(diào)用clean方法進(jìn)行資源回收 
        if (c != null) { 
            c.clean(); 
            return true; 
        } 
        //將Reference加入到ReferenceQueue，開發(fā)者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到對象被回收的事件。 
        ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue; 
        if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r); 
        return true; 
 }

流程比較簡單：就是源源不斷的從PendingList中提取出元素，然后將其加入到ReferenceQueue中去，開發(fā)者可以通過從ReferenceQueue中poll元素感知到對象被回收的事件。

另外需要注意的是，對于Cleaner類型(繼承自虛引用)的對象會有額外的處理：在其指向的對象被回收時，會調(diào)用clean方法，該方法主要是用來做對應(yīng)的資源回收，在堆外內(nèi)存DirectByteBuffer中就是用Cleaner進(jìn)行堆外內(nèi)存的回收，這也是虛引用在java中的典型應(yīng)用。

看完了Reference的實現(xiàn)，再看看幾個實現(xiàn)類里，各自有什么不同。

SoftReference

public class SoftReference<T> extends Reference<T> { 
 
    static private long clock; 
 
    private long timestamp; 
 
    public SoftReference(T referent) { 
        super(referent); 
        this.timestamp = clock; 
    } 
 
    public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) { 
        super(referent, q); 
        this.timestamp = clock; 
    } 
 
    public T get() { 
        T o = super.get(); 
        if (o != null && this.timestamp != clock) 
            this.timestamp = clock; 
        return o; 
    } 
 
}

軟引用的實現(xiàn)很簡單，就多了兩個字段：clock和timestamp。clock是個靜態(tài)變量，每次GC時都會將該字段設(shè)置成當(dāng)前時間。timestamp字段則會在每次調(diào)用get方法時將其賦值為clock(如果不相等且對象沒被回收)。

那這兩個字段的作用是什么呢?這和軟引用在內(nèi)存不夠的時候才被回收，又有什么關(guān)系呢?

這些還得看JVM的源碼才行，因為決定對象是否需要被回收都是在GC中實現(xiàn)的。

size_t 
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist( 
  DiscoveredList               refs_lists[], 
  ReferencePolicy*             policy, 
  bool                         clear_referent, 
  BoolObjectClosure*           is_alive, 
  OopClosure*                  keep_alive, 
  VoidClosure*                 complete_gc, 
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor) 
{ 
 ... 
   //還記得上文提到過的DiscoveredList嗎?refs_lists就是DiscoveredList。 
   //對于DiscoveredList的處理分為幾個階段，SoftReference的處理就在第一階段 
 ... 
      for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) { 
        process_phase1(refs_lists[i], policy, 
                       is_alive, keep_alive, complete_gc); 
      } 
 ... 
} 
 
//該階段的主要目的就是當(dāng)內(nèi)存足夠時，將對應(yīng)的SoftReference從refs_list中移除。 
void 
ReferenceProcessor::process_phase1(DiscoveredList&    refs_list, 
                                   ReferencePolicy*   policy, 
                                   BoolObjectClosure* is_alive, 
                                   OopClosure*        keep_alive, 
                                   VoidClosure*       complete_gc) { 
 
  DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive); 
  // Decide which softly reachable refs should be kept alive. 
  while (iter.has_next()) { 
    iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(!discovery_is_atomic() /* allow_null_referent */)); 
    //判斷引用的對象是否存活 
    bool referent_is_dead = (iter.referent() != NULL) && !iter.is_referent_alive(); 
    //如果引用的對象已經(jīng)不存活了，則會去調(diào)用對應(yīng)的ReferencePolicy判斷該對象是不時要被回收 
    if (referent_is_dead && 
        !policy->should_clear_reference(iter.obj(), _soft_ref_timestamp_clock)) { 
      if (TraceReferenceGC) { 
        gclog_or_tty->print_cr("Dropping reference (" INTPTR_FORMAT ": %s"  ") by policy", 
                               (void *)iter.obj(), iter.obj()->klass()->internal_name()); 
      } 
      // Remove Reference object from list 
      iter.remove(); 
      // Make the Reference object active again 
      iter.make_active(); 
      // keep the referent around 
      iter.make_referent_alive(); 
      iter.move_to_next(); 
    } else { 
      iter.next(); 
    } 
  } 
 ... 
}

refs_lists中存放了本次GC發(fā)現(xiàn)的某種引用類型(虛引用、軟引用、弱引用等)，而

process_discovered_reflist方法的作用就是將不需要被回收的對象從refs_lists移除掉，refs_lists最后剩下的元素全是需要被回收的元素，最后會將其第一個元素賦值給上文提到過的Reference.java#pending字段。

ReferencePolicy一共有4種實現(xiàn)：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。

其中NeverClearPolicy永遠(yuǎn)返回false，代表永遠(yuǎn)不回收SoftReference，在JVM中該類沒有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠(yuǎn)返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以設(shè)置policy為AlwaysClearPolicy，至于什么時候會用到AlwaysClearPolicy，大家有興趣可以自行研究。

LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy的should_clear_reference方法則是完全相同：

bool LRUMaxHeapPolicy::should_clear_reference(oop p, 
                                             jlong timestamp_clock) { 
  jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p); 
  assert(interval >= 0, "Sanity check"); 
 
  // The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc. 
  if(interval <= _max_interval) { 
    return false; 
  } 
 
  return true; 
}

timestamp_clock就是SoftReference的靜態(tài)字段clock，

java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)對應(yīng)是字段timestamp。如果上次GC后有調(diào)用SoftReference#get，interval值為0，否則為若干次GC之間的時間差。

_max_interval則代表了一個臨界值，它的值在LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy兩種策略中有差異。

void LRUCurrentHeapPolicy::setup() { 
  _max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB; 
  assert(_max_interval >= 0,"Sanity check"); 
} 
 
void LRUMaxHeapPolicy::setup() { 
  size_t max_heap = MaxHeapSize; 
  max_heap -= Universe::get_heap_used_at_last_gc(); 
  max_heap /= M; 
 
  _max_interval = max_heap * SoftRefLRUPolicyMSPerMB; 
  assert(_max_interval >= 0,"Sanity check"); 
}

看到這里你就知道SoftReference到底什么時候被被回收了，它和使用的策略(默認(rèn)應(yīng)該是LRUCurrentHeapPolicy)，堆可用大小，該SoftReference上一次調(diào)用get方法的時間都有關(guān)系。

WeakReference

public class WeakReference<T> extends Reference<T> { 
 
    public WeakReference(T referent) { 
        super(referent); 
    } 
 
    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) { 
        super(referent, q); 
    } 
 
}

可以看到，對于Soft references和Weak references clear_referent字段傳入的都是true，這也符合我們的預(yù)期：對象不可達(dá)后，引用字段就會被置為null，然后對象就會被回收(對于軟引用來說，如果內(nèi)存足夠的話，在Phase 1，相關(guān)的引用就會從refs_list中被移除，到Phase 3時refs_list為空集合)。

但對于Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的是false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對象，如果沒有其他額外處理，只要Reference對象還存活，那引用的對象是不會被回收的。Final references和對象是否重寫了finalize方法有關(guān)，不在本文分析范圍之內(nèi)，我們接下來看看Phantom references。

可以看到WeakReference在Java層只是繼承了Reference，沒有做任何的改動。那referent字段是什么時候被置為null的呢?要搞清楚這個問題我們再看下上文提到過的

process_discovered_reflist方法：

size_t 
ReferenceProcessor::process_discovered_reflist( 
  DiscoveredList               refs_lists[], 
  ReferencePolicy*             policy, 
  bool                         clear_referent, 
  BoolObjectClosure*           is_alive, 
  OopClosure*                  keep_alive, 
  VoidClosure*                 complete_gc, 
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor) 
{ 
 ... 
 
  //Phase 1:將所有不存活但是還不能被回收的軟引用從refs_lists中移除（只有refs_lists為軟引用的時候，這里policy才不為null） 
  if (policy != NULL) { 
    if (mt_processing) { 
      RefProcPhase1Task phase1(*this, refs_lists, policy, true /*marks_oops_alive*/); 
      task_executor->execute(phase1); 
    } else { 
      for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) { 
        process_phase1(refs_lists[i], policy, 
                       is_alive, keep_alive, complete_gc); 
      } 
    } 
  } else { // policy == NULL 
    assert(refs_lists != _discoveredSoftRefs, 
           "Policy must be specified for soft references."); 
  } 
 
  // Phase 2: 
  // 移除所有指向?qū)ο筮€存活的引用 
  if (mt_processing) { 
    RefProcPhase2Task phase2(*this, refs_lists, !discovery_is_atomic() /*marks_oops_alive*/); 
    task_executor->execute(phase2); 
  } else { 
    for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) { 
      process_phase2(refs_lists[i], is_alive, keep_alive, complete_gc); 
    } 
  } 
 
  // Phase 3: 
  // 根據(jù)clear_referent的值決定是否將不存活對象回收 
  if (mt_processing) { 
    RefProcPhase3Task phase3(*this, refs_lists, clear_referent, true /*marks_oops_alive*/); 
    task_executor->execute(phase3); 
  } else { 
    for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) { 
      process_phase3(refs_lists[i], clear_referent, 
                     is_alive, keep_alive, complete_gc); 
    } 
  } 
 
  return total_list_count; 
} 
 
void 
ReferenceProcessor::process_phase3(DiscoveredList&    refs_list, 
                                   bool               clear_referent, 
                                   BoolObjectClosure* is_alive, 
                                   OopClosure*        keep_alive, 
                                   VoidClosure*       complete_gc) { 
  ResourceMark rm; 
  DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive); 
  while (iter.has_next()) { 
    iter.update_discovered(); 
    iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(false /* allow_null_referent */)); 
    if (clear_referent) { 
      // NULL out referent pointer 
      //將Reference的referent字段置為null，之后會被GC回收 
      iter.clear_referent(); 
    } else { 
      // keep the referent around 
      //標(biāo)記引用的對象為存活，該對象在這次GC將不會被回收 
      iter.make_referent_alive(); 
    } 
    ... 
  } 
    ... 
}

不管是弱引用還是其他引用類型，將字段referent置null的操作都發(fā)生在process_phase3中，而具體行為是由clear_referent的值決定的。而clear_referent的值則和引用類型相關(guān)。

ReferenceProcessorStats ReferenceProcessor::process_discovered_references( 
  BoolObjectClosure*           is_alive, 
  OopClosure*                  keep_alive, 
  VoidClosure*                 complete_gc, 
  AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor, 
  GCTimer*                     gc_timer) { 
  NOT_PRODUCT(verify_ok_to_handle_reflists()); 
    ... 
  //process_discovered_reflist方法的第3個字段就是clear_referent 
  // Soft references 
  size_t soft_count = 0; 
  { 
    GCTraceTime tt("SoftReference", trace_time, false, gc_timer); 
    soft_count = 
      process_discovered_reflist(_discoveredSoftRefs, _current_soft_ref_policy, true, 
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor); 
  } 
 
  update_soft_ref_master_clock(); 
 
  // Weak references 
  size_t weak_count = 0; 
  { 
    GCTraceTime tt("WeakReference", trace_time, false, gc_timer); 
    weak_count = 
      process_discovered_reflist(_discoveredWeakRefs, NULL, true, 
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor); 
  } 
 
  // Final references 
  size_t final_count = 0; 
  { 
    GCTraceTime tt("FinalReference", trace_time, false, gc_timer); 
    final_count = 
      process_discovered_reflist(_discoveredFinalRefs, NULL, false, 
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor); 
  } 
 
  // Phantom references 
  size_t phantom_count = 0; 
  { 
    GCTraceTime tt("PhantomReference", trace_time, false, gc_timer); 
    phantom_count = 
      process_discovered_reflist(_discoveredPhantomRefs, NULL, false, 
                                 is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor); 
  } 
    ... 
}

PhantomReference

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> { 
 
    public T get() { 
        return null; 
    } 
 
    public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) { 
        super(referent, q); 
    } 
 
}

可以看到虛引用的get方法永遠(yuǎn)返回null，我們看個demo。

public static void demo() throws InterruptedException { 
        Object obj = new Object(); 
        ReferenceQueue<Object> refQueue =new ReferenceQueue<>(); 
        PhantomReference<Object> phanRef =new PhantomReference<>(obj, refQueue); 
 
        Object objg = phanRef.get(); 
        //這里拿到的是null 
        System.out.println(objg); 
        //讓obj變成垃圾 
        obj=null; 
        System.gc(); 
        Thread.sleep(3000); 
        //gc后會將phanRef加入到refQueue中 
        Reference<? extends Object> phanRefP = refQueue.remove(); 
         //這里輸出true 
        System.out.println(phanRefP==phanRef); 
    }

從以上代碼中可以看到，虛引用能夠在指向?qū)ο蟛豢蛇_(dá)時得到一個'通知'(其實所有繼承References的類都有這個功能)，需要注意的是GC完成后，phanRef.referent依然指向之前創(chuàng)建Object，也就是說Object對象一直沒被回收!

而造成這一現(xiàn)象的原因在上一小節(jié)末尾已經(jīng)說了：對于Final references和 Phantom references，clear_referent字段傳入的時false，也就意味著被這兩種引用類型引用的對象，如果沒有其他額外處理，在GC中是不會被回收的。

對于虛引用來說，從refQueue.remove();得到引用對象后，可以調(diào)用clear方法強(qiáng)行解除引用和對象之間的關(guān)系，使得對象下次可以GC時可以被回收掉。

End

針對文章開頭提出的幾個問題，看完分析，我們已經(jīng)能給出回答：

1.我們經(jīng)常在網(wǎng)上看到軟引用的介紹是：在內(nèi)存不足的時候才會回收，那內(nèi)存不足是怎么定義的?為什么才叫內(nèi)存不足?

軟引用會在內(nèi)存不足時被回收，內(nèi)存不足的定義和該引用對象get的時間以及當(dāng)前堆可用內(nèi)存大小都有關(guān)系，計算公式在上文中也已經(jīng)給出。

2.網(wǎng)上對于虛引用的介紹是：形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會決定對象的生命周期。主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。真的是這樣嗎?

嚴(yán)格的說，虛引用是會影響對象生命周期的，如果不做任何處理，只要虛引用不被回收，那其引用的對象永遠(yuǎn)不會被回收。所以一般來說，從ReferenceQueue中獲得PhantomReference對象后，如果PhantomReference對象不會被回收的話(比如被其他GC ROOT可達(dá)的對象引用)，需要調(diào)用clear方法解除PhantomReference和其引用對象的引用關(guān)系。

3.虛引用在Jdk中有哪些場景下用到了呢?

DirectByteBuffer中是用虛引用的子類Cleaner.java來實現(xiàn)堆外內(nèi)存回收的，后續(xù)會寫篇文章來說說堆外內(nèi)存的里里外外。

責(zé)任編輯：未麗燕來源：今日頭條