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Java资源管理和引用体系的使用详解

2025-05-13 11:12:31 作者：找不到、了

这篇文章主要介绍了Java资源管理和引用体系的使用,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

Java中的引用类型不仅是内存管理的概念，更是资源管理的重要工具。合理使用不同类型的引用可以有效地管理内存敏感资源，防止内存泄漏和资源浪费。

1、java的引用体系

如下图所示，可分为四种：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

以下是对四种引用的类比，可以让大家有个更好的理解。

1、强引用 (Strong Reference)

基本特性

Object obj = new Object(); // 这就是强引用

默认引用类型：所有普通对象引用都是强引用。
GC行为：只要强引用存在，对象就不会被回收。
内存泄漏：无意保留的强引用是内存泄漏的主因。

代码示例：

public class StrongReferenceExample {
    private List<String> cache = new ArrayList<>();
    
    public void addToCache(String data) {
        cache.add(data); // 强引用保留对象
    }
    
    public void clearCache() {
        cache.clear(); // 必须显式清除
    }
}

2、软引用 (Soft Reference)

1.基本特性

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

GC行为：

内存充足时：保留对象
内存不足时：回收对象（在OOM之前）
缓存特性：适合实现内存敏感缓存

2.核心特点

动态调整缓存大小
当系统内存充足时，可以缓存更多数据以提高性能
当内存紧张时，自动清理部分缓存，避免内存溢出

优先级管理

对缓存项设置优先级（如LRU最近最少使用）
内存不足时优先清理低优先级数据

3.响应内存压力

监听JVM内存使用情况（如 Runtime.getRuntime().freeMemory()）。
或使用 Java.lang.ref.SoftReference（软引用）让GC在内存不足时自动回收。
实现方式

实战示例：基于内存压力softReference的图片缓存

public class ImageCache {
    private final Map<String, SoftReference<Bitmap>> cache = new HashMap<>();
    
    public Bitmap getImage(String key) {
        SoftReference<Bitmap> ref = cache.get(key);
        return ref != null ? ref.get() : null;
    }
    
    public void putImage(String key, Bitmap image) {
        cache.put(key, new SoftReference<>(image));
    }
}

基于Runtime.freeMemoy()来实现。

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class MemorySensitiveCache<K, V> {
    private final Map<K, SoftReference<V>> cache = new HashMap<>();

    // 存入缓存（使用软引用，内存不足时可被GC回收）
    public void put(K key, V value) {
        cache.put(key, new SoftReference<>(value));
    }

    // 从缓存读取（可能返回null如果已被GC回收）
    public V get(K key) {
        SoftReference<V> ref = cache.get(key);
        return (ref != null) ? ref.get() : null;
    }

    // 示例：内存监控线程
    public void startMemoryMonitor() {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                long freeMem = Runtime.getRuntime().freeMemory();
                if (freeMem < 1024 * 1024) { // 如果剩余内存 < 1MB
                    System.out.println("内存紧张，清理缓存...");
                    cache.clear();
                }
                try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
            }
        }).start();
    }
}

3、弱引用 (Weak Reference)

3.1、基本特性

GC行为：下次GC时立即回收（无论内存是否充足）
规范映射：适合存储元数据等辅助信息

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

代码示例：

import java.util.WeakHashMap;

public class WeakHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        WeakHashMap<Object, String> map = new WeakHashMap<>();
        
        Object key = new Object();
        map.put(key, "Value");
        
        System.out.println("GC 前: " + map.size()); // 1
        
        key = null; // 断开强引用
        System.gc(); // 触发 GC
        
        System.out.println("GC 后: " + map.size()); // 0（Entry 被自动清理）
    }
}

4、虚引用 (Phantom Reference)

基本特性

ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), queue);

GC行为：

对象变得虚引用可达
引用加入队列
最终回收内存

特殊限制：get()方法永远返回null

主要用途：精确控制资源清理时机

5、常见问题

Q1: WeakHashMap的key是弱引用，那value呢？

A: 只有key是弱引用，value是强引用。需要确保value不间接引用key，否则会内存泄漏。

Q2: 虚引用get()为什么返回null？

A: 这是设计使然，虚引用仅用于跟踪回收事件，不应再访问将死对象。

Q3: 软引用和弱引用谁更适合缓存？

A: 软引用适合主缓存（内存敏感），弱引用适合辅助缓存（立即释放）。

四种引用的区别和联系如下图所示：

2、finalize

finalize：垃圾回收的终结机制。

2.1、所属领域

垃圾回收（Garbage Collection） 的补充机制。
属于 java.lang.Object 的基础方法，与 JVM 的 GC 流程相关。

2.2、作用

在对象被垃圾回收前，JVM 会调用 finalize() 方法（如果重写了该方法），用于执行最后的清理操作（如关闭非内存资源）。

2.3、问题

不可靠：JVM 不保证 finalize() 的执行时机（甚至可能不执行）。
性能开销：拖慢 GC 效率（对象需要至少两次 GC 才能被回收）。
已被废弃：Java 9 开始标记为 @Deprecated，推荐用 java.lang.ref.Cleaner 或 AutoCloseable 替代。

2.4、使用场景

想象你租了一间房：

正常情况：退租时主动交还钥匙（相当于 close() 方法）
忘记还钥匙：房东最后会自己来收钥匙（相当于 finalize()）
风险：房东可能很久后才来，期间钥匙被别人捡到可能不安全

代码示例：

public class Room {
    private static final Set<String> LEAKED_KEYS = new HashSet<>();
    private String roomKey;

    public Room(String key) {
        this.roomKey = key;
        LEAKED_KEYS.add(key); // 登记钥匙
        System.out.println("拿到钥匙进入房间: " + key);
    }

    // 主动还钥匙（推荐方式）
    public void returnKey() {
        if (roomKey != null) {
            System.out.println("主动归还钥匙: " + roomKey);
            LEAKED_KEYS.remove(roomKey); // 注销钥匙
            roomKey = null;
        }
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        if (roomKey != null) {
            System.out.println("警告！钥匙未被归还: " + roomKey + " (内存泄漏)");
            LEAKED_KEYS.remove(roomKey); // 清理登记
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 好租客
        Room goodRoom = new Room("A101");
        goodRoom.returnKey();

        // 坏租客
        new Room("B202"); // 直接不保存引用
        
        System.gc();
        try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {}
        
        System.out.println("未归还的钥匙: " + LEAKED_KEYS);
    }
}

输出：

拿到钥匙进入房间: A101
主动归还钥匙: A101
拿到钥匙进入房间: B202
警告！钥匙未被归还: B202 (内存泄漏)
未归还的钥匙: []

结论

finalize() 只会在 GC 回收对象时执行，而 System.gc() 只是建议 GC 运行，不保证立即执行。
finalize() 不保证一定执行，如果程序退出前 GC 没运行，它就不会被调用。
不应该依赖 finalize() 管理资源（如文件、数据库连接），而应该使用 try-with-resources 或手动 close()。
同步调用 finalize() 会阻塞 GC 线程，降低性能。

3、try-with-resources

属于java的资源管理 → try-with-resources + AutoCloseable。

3.1、所属领域

资源管理（Resource Management），尤其是需要显式释放的资源（如文件、数据库连接、网络套接字）。
基于 AutoCloseable 接口（Java 7 引入），属于语法糖（Syntactic Sugar）。

3.2、作用

自动在 try 代码块结束后调用资源的 close() 方法，避免资源泄露。
比手动 try-catch-finally 更简洁安全。

3.3、优势

确定性释放：资源离开 try 块立即关闭。
代码简洁：减少嵌套和样板代码。
异常友好：支持抑制异常（Suppressed Exceptions）。

代码示例：

// 实现 AutoCloseable，用 try-with-resources 确保资源释放
class Resource implements AutoCloseable {
    @Override
    public void close() {
        System.out.println("Resource closed!");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try (Resource r = new Resource()) {
            // 使用资源
        } // 自动调用 close()
    }
}

finalize和try-with-resources的区别如下图所示：

替代 finalize 的方案：

Cleaner 或 PhantomReference：提供更可控的清理机制（但复杂度高）。
AutoCloseable + try-with-resources：首选方案。

资源管理的最佳实践：

优先实现 AutoCloseable 接口，而非依赖 finalize。
对于必须手动管理的资源（如原生内存），结合 ByteBuffer.allocateDirect 和 Cleaner 使用。

4、Cleaner

（Java 9+）java.lang.ref.Cleaner。

如下图所示：由phant虚引用和队列来实现。

4.1、Cleaner 的优势

✅ 确定性更强：通过虚引用(PhantomReference)和引用队列实现

✅ 更安全：清理操作在独立线程执行，不影响主线程

✅ 性能更好：不干扰正常垃圾回收流程

✅ 可控性高：可以显式注册/取消清理操作

4.2、底层机制

引用类型：使用 PhantomReference（虚引用）
引用队列：被清理对象进入引用队列时触发清理
守护线程：专门的清理线程处理队列中的对象

代码示例如下：

// Cleaner 内部实现伪代码
public class Cleaner {
    private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
    private final PhantomReference<Object> phantomRef;
    private final Runnable cleanupAction;
    
    public static Cleaner create() {
        return new Cleaner();
    }
    
    public Cleanable register(Object obj, Runnable action) {
        phantomRef = new PhantomReference<>(obj, queue);
        this.cleanupAction = action;
        startCleanerThread();  // 启动监控线程
        return new CleanableImpl();
    }
    
    private void startCleanerThread() {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Reference<?> ref = queue.remove(); // 阻塞等待
                if (ref == phantomRef) {
                    cleanupAction.run();
                }
            }
        });
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
    }
}

4.3、执行流程

import java.lang.ref.Cleaner;

public class CleanerDemo {
    private static final Cleaner cleaner = Cleaner.create();

    static class Resource implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Cleaner action executed!");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Resource resource = new Resource();
        cleaner.register(new Object(), resource); // 注册清理动作
        System.gc();
        try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
    }
}

相比较于finalize和cleaner的区别：

总结

通过合理组合这些引用类型，可以构建出既高效又安全的资源管理系统。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

Java资源管理和引用体系的使用详解

1、java的引用体系

1、强引用 (Strong Reference)

2、软引用 (Soft Reference)

3、弱引用 (Weak Reference)

4、虚引用 (Phantom Reference)

2、finalize

2.1、所属领域

2.2、作用

2.3、问题

2.4、使用场景

3、try-with-resources

3.1、所属领域

3.2、作用

3.3、优势

4、Cleaner

4.1、Cleaner 的优势

4.2、底层机制

4.3、执行流程

总结

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