面试中经常被问到Java引用类型原理，带你深入剖析

1.选择唯一性索引 唯一性索引的值是唯一的，可以更快速的通过该索引来确定某条记录。例如，学生表中学号是具有唯一性的字段。为该字段建立唯一性索引可以很快的确定某个学生的信息。如果使用姓名的话，可能存在同名现象，从而降低查询速度。 2.为经常需要排序、分组和联合操作的字段建立索引 经常需要ORDER BY、GROUP BY、DISTINCT和UNION等操作的字段，排序操作会浪费很多时间。如果为其建立索引，可以有效地避免排序操作。 3.为 0 Comments

1.选择唯一性索引

唯一性索引的值是唯一的，可以更快速的通过该索引来确定某条记录。例如，学生表中学号是具有唯一性的字段。为该字段建立唯一性索引可以很快的确定某个学生的信息。如果使用姓名的话，可能存在同名现象，从而降低查询速度。

2.为经常需要排序、分组和联合操作的字段建立索引

经常需要ORDER BY、GROUP BY、DISTINCT和UNION等操作的字段，排序操作会浪费很多时间。如果为其建立索引，可以有效地避免排序操作。

3.为常作为查询条件的字段建立索引

如果某个字段经常用来做查询条件，那么该字段的查询速度会影响整个表的查询速度。因此，为这样的字段建立索引，可以提高整个表的查询速度。

4.限制索引的数目

索引的数目不是越多越好。每个索引都需要占用磁盘空间，索引越多，需要的磁盘空间就越大。修改表时，对索引的重构和更新很麻烦。越多的索引，会使更新表变得很浪费时间。

5.尽量使用数据量少的索引

如果索引的值很长，那么查询的速度会受到影响。例如，对一个CHAR(100)类型的字段进行全文检索需要的时间肯定要比对CHAR(10)类型的字段需要的时间要多。

6.尽量使用前缀来索引

如果索引字段的值很长，最好使用值的前缀来索引。例如，TEXT和BLOG类型的字段，进行全文检索会很浪费时间。如果只检索字段的前面的若干个字符，这样可以提高检索速度。

7.删除不再使用或者很少使用的索引

表中的数据被大量更新，或者数据的使用方式被改变后，原有的一些索引可能不再需要。数据库管理员应当定期找出这些索引，将它们删除，从而减少索引对更新操作的影响。

8.最左前缀匹配原则，非常重要的原则。

mysql会一直向右匹配直到遇到范围查询(>、<、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)顺序的索引，d是用不到索引的，如果建立(a,b,d,c)的索引则都可以用到，a,b,d的顺序可以任意调整。

9.=和in可以乱序。

比如a = 1 and b = 2 and c = 3 建立(a,b,c)索引可以任意顺序，mysql的查询优化器会帮你优化成索引可以识别的形式

10.尽量选择区分度高的列作为索引。

区分度的公式是count(distinct col)/count(*)，表示字段不重复的比例，比例越大我们扫描的记录数越少，唯一键的区分度是1，而一些状态、性别字段可能在大数据面前区分度就 是0，那可能有人会问，这个比例有什么经验值吗?使用场景不同，这个值也很难确定，一般需要join的字段我们都要求是0.1以上，即平均1条扫描10条 记录

11.索引列不能参与计算，保持列“干净”。

比如from_unixtime(create_time) = ’2014-05-29’就不能使用到索引，原因很简单，b+树中存的都是数据表中的字段值，但进行检索时，需要把所有元素都应用函数才能比较，显然成本 太大。所以语句应该写成create_time = unix_timestamp(’2014-05-29’);

12.尽量的扩展索引，不要新建索引。

比如表中已经有a的索引，现在要加(a,b)的索引，那么只需要修改原来的索引即可

注意：选择索引的最终目的是为了使查询的速度变快。上面给出的原则是最基本的准则，但不能拘泥于上面的准则。读者要在以后的学习和工作中进行不断的实践。根据应用的实际情况进行分析和判断，选择最合适的索引方式。

Java中一共有4种引用类型(其实还有一些其他的引用类型比如FinalReference)：强引用、软引用、弱引用、虚引用。

其中强引用就是我们经常使用的Object a = new Object(); 这样的形式，在Java中并没有对应的Reference类。

本篇文章主要是分析软引用、弱引用、虚引用的实现，这三种引用类型都是继承于Reference这个类，主要逻辑也在Reference中。

问题

在分析前，先抛几个问题?

  1. 网上大多数文章对于软引用的介绍是：在内存不足的时候才会被回收，那内存不足是怎么定义的?什么才叫内存不足?
  2. 网上大多数文章对于虚引用的介绍是：形同虚设，虚引用并不会决定对象的生命周期。主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。真的是这样吗?
  3. 虚引用在Jdk中有哪些场景下用到了呢?

Reference

我们先看下Reference.java中的几个字段

  1. public abstract class Reference<T> {
  2. //引用的对象
  3. private T referent;
  4. //回收队列，由使用者在Reference的构造函数中指定
  5. volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
  6. //当该引用被加入到queue中的时候，该字段被设置为queue中的下一个元素，以形成链表结构
  7. volatile Reference next;
  8. //在GC时，JVM底层会维护一个叫DiscoveredList的链表，存放的是Reference对象，discovered字段指向的就是链表中的下一个元素，由JVM设置
  9. transient private Reference<T> discovered;
  10. //进行线程同步的锁对象
  11. static private class Lock { }
  12. private static Lock lock = new Lock();
  13. //等待加入queue的Reference对象，在GC时由JVM设置，会有一个java层的线程(ReferenceHandler)源源不断的从pending中提取元素加入到queue
  14. private static Reference<Object> pending = null;
  15. }

一个Reference对象的生命周期如下：

主要分为Native层和Java层两个部分。

Native层在GC时将需要被回收的Reference对象加入到DiscoveredList中(代码在referenceProcessor.cpp中

process_discovered_references方法)，然后将DiscoveredList的元素移动到PendingList中(代码在referenceProcessor.cpp中enqueue_discovered_ref_helper方法),PendingList的队首就是Reference类中的pending对象。

看看Java层的代码

  1. private static class ReferenceHandler extends Thread {
  2. ...
  3. public void run() {
  4. while (true) {
  5. tryHandlePending(true);
  6. }
  7. }
  8. }
  9. static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
  10. Reference<Object> r;
  11. Cleaner c;
  12. try {
  13. synchronized (lock) {
  14. if (pending != null) {
  15. r = pending;
  16. //如果是Cleaner对象，则记录下来，下面做特殊处理
  17. c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
  18. //指向PendingList的下一个对象
  19. pending = r.discovered;
  20. r.discovered = null;
  21. } else {
  22. //如果pending为null就先等待，当有对象加入到PendingList中时，jvm会执行notify
  23. if (waitForNotify) {
  24. lock.wait();
  25. }
  26. // retry if waited
  27. return waitForNotify;
  28. }
  29. }
  30. }
  31. ...
  33. // 如果时CLeaner对象，则调用clean方法进行资源回收
  34. if (c != null) {
  35. c.clean();
  36. return true;
  37. }
  38. //将Reference加入到ReferenceQueue，开发者可以通过从ReferenceQueue中poll元素感知到对象被回收的事件。
  39. ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
  40. if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
  41. return true;
  42. }

流程比较简单：就是源源不断的从PendingList中提取出元素，然后将其加入到ReferenceQueue中去，开发者可以通过从ReferenceQueue中poll元素感知到对象被回收的事件。

另外需要注意的是，对于Cleaner类型(继承自虚引用)的对象会有额外的处理：在其指向的对象被回收时，会调用clean方法，该方法主要是用来做对应的资源回收，在堆外内存DirectByteBuffer中就是用Cleaner进行堆外内存的回收，这也是虚引用在java中的典型应用。

看完了Reference的实现，再看看几个实现类里，各自有什么不同。

SoftReference

  1. public class SoftReference<T> extends Reference<T> {
  3. static private long clock;
  5. private long timestamp;
  7. public SoftReference(T referent) {
  8. super(referent);
  9. this.timestamp = clock;
  10. }
  12. public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
  13. super(referent, q);
  14. this.timestamp = clock;
  15. }
  17. public T get() {
  18. T o = super.get();
  19. if (o != null && this.timestamp != clock)
  20. this.timestamp = clock;
  21. return o;
  22. }
  24. }

软引用的实现很简单，就多了两个字段：clock和timestamp。clock是个静态变量，每次GC时都会将该字段设置成当前时间。timestamp字段则会在每次调用get方法时将其赋值为clock(如果不相等且对象没被回收)。

那这两个字段的作用是什么呢?这和软引用在内存不够的时候才被回收，又有什么关系呢?

这些还得看JVM的源码才行，因为决定对象是否需要被回收都是在GC中实现的。

  1. size_t
  2. ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
  3. DiscoveredList refs_lists[],
  4. ReferencePolicy* policy,
  5. bool clear_referent,
  6. BoolObjectClosure* is_alive,
  7. OopClosure* keep_alive,
  8. VoidClosure* complete_gc,
  9. AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
  10. {
  11. ...
  12. //还记得上文提到过的DiscoveredList吗?refs_lists就是DiscoveredList。
  13. //对于DiscoveredList的处理分为几个阶段，SoftReference的处理就在第一阶段
  14. ...
  15. for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
  16. process_phase1(refs_lists[i], policy,
  17. is_alive, keep_alive, complete_gc);
  18. }
  19. ...
  20. }
  22. //该阶段的主要目的就是当内存足够时，将对应的SoftReference从refs_list中移除。
  23. void
  24. ReferenceProcessor::process_phase1(DiscoveredList& refs_list,
  25. ReferencePolicy* policy,
  26. BoolObjectClosure* is_alive,
  27. OopClosure* keep_alive,
  28. VoidClosure* complete_gc) {
  30. DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
  31. // Decide which softly reachable refs should be kept alive.
  32. while (iter.has_next()) {
  33. iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(!discovery_is_atomic() /* allow_null_referent */));
  34. //判断引用的对象是否存活
  35. bool referent_is_dead = (iter.referent() != NULL) && !iter.is_referent_alive();
  36. //如果引用的对象已经不存活了，则会去调用对应的ReferencePolicy判断该对象是不时要被回收
  37. if (referent_is_dead &&
  38. !policy->should_clear_reference(iter.obj(), _soft_ref_timestamp_clock)) {
  39. if (TraceReferenceGC) {
  40. gclog_or_tty->print_cr("Dropping reference (" INTPTR_FORMAT ": %s" ") by policy",
  41. (void *)iter.obj(), iter.obj()->klass()->internal_name());
  42. }
  43. // Remove Reference object from list
  44. iter.remove();
  45. // Make the Reference object active again
  46. iter.make_active();
  47. // keep the referent around
  48. iter.make_referent_alive();
  49. iter.move_to_next();
  50. } else {
  51. iter.next();
  52. }
  53. }
  54. ...
  55. }

refs_lists中存放了本次GC发现的某种引用类型(虚引用、软引用、弱引用等)，而

process_discovered_reflist方法的作用就是将不需要被回收的对象从refs_lists移除掉，refs_lists最后剩下的元素全是需要被回收的元素，最后会将其第一个元素赋值给上文提到过的Reference.java#pending字段。

ReferencePolicy一共有4种实现：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。

其中NeverClearPolicy永远返回false，代表永远不回收SoftReference，在JVM中该类没有被使用，AlwaysClearPolicy则永远返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以设置policy为AlwaysClearPolicy，至于什么时候会用到AlwaysClearPolicy，大家有兴趣可以自行研究。

LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy的should_clear_reference方法则是完全相同：

  1. bool LRUMaxHeapPolicy::should_clear_reference(oop p,
  2. jlong timestamp_clock) {
  3. jlong interval = timestamp_clock - java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p);
  4. assert(interval >= 0, "Sanity check");
  6. // The interval will be zero if the ref was accessed since the last scavenge/gc.
  7. if(interval <= _max_interval) {
  8. return false;
  9. }
  11. return true;
  12. }

timestamp_clock就是SoftReference的静态字段clock，

java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)对应是字段timestamp。如果上次GC后有调用SoftReference#get，interval值为0，否则为若干次GC之间的时间差。

_max_interval则代表了一个临界值，它的值在LRUCurrentHeapPolicy和LRUMaxHeapPolicy两种策略中有差异。

  1. void LRUCurrentHeapPolicy::setup() {
  2. _max_interval = (Universe::get_heap_free_at_last_gc() / M) * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
  3. assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
  4. }
  6. void LRUMaxHeapPolicy::setup() {
  7. size_t max_heap = MaxHeapSize;
  8. max_heap -= Universe::get_heap_used_at_last_gc();
  9. max_heap /= M;
  11. _max_interval = max_heap * SoftRefLRUPolicyMSPerMB;
  12. assert(_max_interval >= 0,"Sanity check");
  13. }

看到这里你就知道SoftReference到底什么时候被被回收了，它和使用的策略(默认应该是LRUCurrentHeapPolicy)，堆可用大小，该SoftReference上一次调用get方法的时间都有关系。

WeakReference

  1. public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
  3. public WeakReference(T referent) {
  4. super(referent);
  5. }
  7. public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
  8. super(referent, q);
  9. }
  11. }

可以看到，对于Soft references和Weak references clear_referent字段传入的都是true，这也符合我们的预期：对象不可达后，引用字段就会被置为null，然后对象就会被回收(对于软引用来说，如果内存足够的话，在Phase 1，相关的引用就会从refs_list中被移除，到Phase 3时refs_list为空集合)。

但对于Final references和 Phantom references，clear_referent字段传入的是false，也就意味着被这两种引用类型引用的对象，如果没有其他额外处理，只要Reference对象还存活，那引用的对象是不会被回收的。Final references和对象是否重写了finalize方法有关，不在本文分析范围之内，我们接下来看看Phantom references。

可以看到WeakReference在Java层只是继承了Reference，没有做任何的改动。那referent字段是什么时候被置为null的呢?要搞清楚这个问题我们再看下上文提到过的

process_discovered_reflist方法：

  1. size_t
  2. ReferenceProcessor::process_discovered_reflist(
  3. DiscoveredList refs_lists[],
  4. ReferencePolicy* policy,
  5. bool clear_referent,
  6. BoolObjectClosure* is_alive,
  7. OopClosure* keep_alive,
  8. VoidClosure* complete_gc,
  9. AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor)
  10. {
  11. ...
  13. //Phase 1:将所有不存活但是还不能被回收的软引用从refs_lists中移除（只有refs_lists为软引用的时候，这里policy才不为null）
  14. if (policy != NULL) {
  15. if (mt_processing) {
  16. RefProcPhase1Task phase1(*this, refs_lists, policy, true /*marks_oops_alive*/);
  17. task_executor->execute(phase1);
  18. } else {
  19. for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
  20. process_phase1(refs_lists[i], policy,
  21. is_alive, keep_alive, complete_gc);
  22. }
  23. }
  24. } else { // policy == NULL
  25. assert(refs_lists != _discoveredSoftRefs,
  26. "Policy must be specified for soft references.");
  27. }
  29. // Phase 2:
  30. // 移除所有指向对象还存活的引用
  31. if (mt_processing) {
  32. RefProcPhase2Task phase2(*this, refs_lists, !discovery_is_atomic() /*marks_oops_alive*/);
  33. task_executor->execute(phase2);
  34. } else {
  35. for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
  36. process_phase2(refs_lists[i], is_alive, keep_alive, complete_gc);
  37. }
  38. }
  40. // Phase 3:
  41. // 根据clear_referent的值决定是否将不存活对象回收
  42. if (mt_processing) {
  43. RefProcPhase3Task phase3(*this, refs_lists, clear_referent, true /*marks_oops_alive*/);
  44. task_executor->execute(phase3);
  45. } else {
  46. for (uint i = 0; i < _max_num_q; i++) {
  47. process_phase3(refs_lists[i], clear_referent,
  48. is_alive, keep_alive, complete_gc);
  49. }
  50. }
  52. return total_list_count;
  53. }
  55. void
  56. ReferenceProcessor::process_phase3(DiscoveredList& refs_list,
  57. bool clear_referent,
  58. BoolObjectClosure* is_alive,
  59. OopClosure* keep_alive,
  60. VoidClosure* complete_gc) {
  61. ResourceMark rm;
  62. DiscoveredListIterator iter(refs_list, keep_alive, is_alive);
  63. while (iter.has_next()) {
  64. iter.update_discovered();
  65. iter.load_ptrs(DEBUG_ONLY(false /* allow_null_referent */));
  66. if (clear_referent) {
  67. // NULL out referent pointer
  68. //将Reference的referent字段置为null，之后会被GC回收
  69. iter.clear_referent();
  70. } else {
  71. // keep the referent around
  72. //标记引用的对象为存活，该对象在这次GC将不会被回收
  73. iter.make_referent_alive();
  74. }
  75. ...
  76. }
  77. ...
  78. }

不管是弱引用还是其他引用类型，将字段referent置null的操作都发生在process_phase3中，而具体行为是由clear_referent的值决定的。而clear_referent的值则和引用类型相关。

  1. ReferenceProcessorStats ReferenceProcessor::process_discovered_references(
  2. BoolObjectClosure* is_alive,
  3. OopClosure* keep_alive,
  4. VoidClosure* complete_gc,
  5. AbstractRefProcTaskExecutor* task_executor,
  6. GCTimer* gc_timer) {
  7. NOT_PRODUCT(verify_ok_to_handle_reflists());
  8. ...
  9. //process_discovered_reflist方法的第3个字段就是clear_referent
  10. // Soft references
  11. size_t soft_count = 0;
  12. {
  13. GCTraceTime tt("SoftReference", trace_time, false, gc_timer);
  14. soft_count =
  15. process_discovered_reflist(_discoveredSoftRefs, _current_soft_ref_policy, true,
  16. is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  17. }
  19. update_soft_ref_master_clock();
  21. // Weak references
  22. size_t weak_count = 0;
  23. {
  24. GCTraceTime tt("WeakReference", trace_time, false, gc_timer);
  25. weak_count =
  26. process_discovered_reflist(_discoveredWeakRefs, NULL, true,
  27. is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  28. }
  30. // Final references
  31. size_t final_count = 0;
  32. {
  33. GCTraceTime tt("FinalReference", trace_time, false, gc_timer);
  34. final_count =
  35. process_discovered_reflist(_discoveredFinalRefs, NULL, false,
  36. is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  37. }
  39. // Phantom references
  40. size_t phantom_count = 0;
  41. {
  42. GCTraceTime tt("PhantomReference", trace_time, false, gc_timer);
  43. phantom_count =
  44. process_discovered_reflist(_discoveredPhantomRefs, NULL, false,
  45. is_alive, keep_alive, complete_gc, task_executor);
  46. }
  47. ...
  48. }

可以看到，对于Soft references和Weak references clear_referent字段传入的都是true，这也符合我们的预期：对象不可达后，引用字段就会被置为null，然后对象就会被回收(对于软引用来说，如果内存足够的话，在Phase 1，相关的引用就会从refs_list中被移除，到Phase 3时refs_list为空集合)。

但对于Final references和 Phantom references，clear_referent字段传入的是false，也就意味着被这两种引用类型引用的对象，如果没有其他额外处理，只要Reference对象还存活，那引用的对象是不会被回收的。Final references和对象是否重写了finalize方法有关，不在本文分析范围之内，我们接下来看看Phantom references。

PhantomReference

  1. public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
  3. public T get() {
  4. return null;
  5. }
  7. public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
  8. super(referent, q);
  9. }
  11. }

可以看到虚引用的get方法永远返回null，我们看个demo。

  1. public static void demo() throws InterruptedException {
  2. Object obj = new Object();
  3. ReferenceQueue<Object> refQueue =new ReferenceQueue<>();
  4. PhantomReference<Object> phanRef =new PhantomReference<>(obj, refQueue);
  6. Object objg = phanRef.get();
  7. //这里拿到的是null
  8. System.out.println(objg);
  9. //让obj变成垃圾
  10. obj=null;
  11. System.gc();
  12. Thread.sleep(3000);
  13. //gc后会将phanRef加入到refQueue中
  14. Reference<? extends Object> phanRefP = refQueue.remove();
  15. //这里输出true
  16. System.out.println(phanRefP==phanRef);
  17. }

从以上代码中可以看到，虚引用能够在指向对象不可达时得到一个'通知'(其实所有继承References的类都有这个功能)，需要注意的是GC完成后，phanRef.referent依然指向之前创建Object，也就是说Object对象一直没被回收!

而造成这一现象的原因在上一小节末尾已经说了：对于Final references和 Phantom references，clear_referent字段传入的时false，也就意味着被这两种引用类型引用的对象，如果没有其他额外处理，在GC中是不会被回收的。

对于虚引用来说，从refQueue.remove();得到引用对象后，可以调用clear方法强行解除引用和对象之间的关系，使得对象下次可以GC时可以被回收掉。

End

针对文章开头提出的几个问题，看完分析，我们已经能给出回答：

1.我们经常在网上看到软引用的介绍是：在内存不足的时候才会回收，那内存不足是怎么定义的?为什么才叫内存不足?

软引用会在内存不足时被回收，内存不足的定义和该引用对象get的时间以及当前堆可用内存大小都有关系，计算公式在上文中也已经给出。

2.网上对于虚引用的介绍是：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。主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。真的是这样吗?

严格的说，虚引用是会影响对象生命周期的，如果不做任何处理，只要虚引用不被回收，那其引用的对象永远不会被回收。所以一般来说，从ReferenceQueue中获得PhantomReference对象后，如果PhantomReference对象不会被回收的话(比如被其他GC ROOT可达的对象引用)，需要调用clear方法解除PhantomReference和其引用对象的引用关系。

3.虚引用在Jdk中有哪些场景下用到了呢?

DirectByteBuffer中是用虚引用的子类Cleaner.java来实现堆外内存回收的，后续会写篇文章来说说堆外内存的里里外外。

原文地址：https://www.toutiao.com/a7051934204413886990/

本文链接：https://my.lmcjl.com/post/7397.html

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