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面試中經常被問到Java引用類型原理，帶你深入剖析

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，學生表中學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生的信息。如果使用姓名的話，可能存在同名現象，從而降低查詢速度。

2.為經常需要排序、分組和聯合操作的字段建立索引

經常需要ORDER BY、GROUP BY、DISTINCT和UNION等操作的字段，排序操作會浪費很多時間。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.限制索引的數目

索引的數目不是越多越好。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，對索引的重構和更新很麻煩。越多的索引，會使更新表變得很浪費時間。

5.盡量使用數據量少的索引

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，進行全文檢索會很浪費時間。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

表中的數據被大量更新，或者數據的使用方式被改變后，原有的一些索引可能不再需要。數據庫管理員應當定期找出這些索引，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的查詢優化器會幫你優化成索引可以識別的形式

10.盡量選擇區分度高的列作為索引。

區分度的公式是count(distinct col)/count(*)，表示字段不重復的比例，比例越大我們掃描的記錄數越少，唯一鍵的區分度是1，而一些狀態、性別字段可能在大數據面前區分度就是0，那可能有人會問，這個比例有什么經驗值嗎?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+樹中存的都是數據表中的字段值，但進行檢索時，需要把所有元素都應用函數才能比較，顯然成本太大。所以語句應該寫成create_time = unix_timestamp(’2014-05-29’);

12.盡量的擴展索引，不要新建索引。

比如表中已經有a的索引，現在要加(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則，但不能拘泥于上面的準則。讀者要在以后的學習和工作中進行不斷的實踐。根據應用的實際情況進行分析和判斷，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)：強引用、軟引用、弱引用、虛引用。

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

本篇文章主要是分析軟引用、弱引用、虛引用的實現，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?

網上大多數文章對于軟引用的介紹是：在內存不足的時候才會被回收，那內存不足是怎么定義的?什么才叫內存不足?
網上大多數文章對于虛引用的介紹是：形同虛設，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的構造函數中指定
volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
//當該引用被加入到queue中的時候，該字段被設置為queue中的下一個元素，以形成鏈表結構
volatile Reference next;
//在GC時，JVM底層會維護一個叫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設置
transient private Reference<T> discovered;
//進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：

面試中經常被問到Java引用類型原理，帶你深入剖析

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，當有對象加入到PendingList中時，jvm會執行notify
if (waitForNotify) {
lock.wait();
}
// retry if waited
return waitForNotify;
}
}
}
...
// 如果時CLeaner對象，則調用clean方法進行資源回收
if (c != null) {
c.clean();
return true;
}
//將Reference加入到ReferenceQueue，開發者可以通過從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，會調用clean方法，該方法主要是用來做對應的資源回收，在堆外內存DirectByteBuffer中就是用Cleaner進行堆外內存的回收，這也是虛引用在java中的典型應用。

看完了Reference的實現，再看看幾個實現類里，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;
}
}

軟引用的實現很簡單，就多了兩個字段：clock和timestamp。clock是個靜態變量，每次GC時都會將該字段設置成當前時間。timestamp字段則會在每次調用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?這和軟引用在內存不夠的時候才被回收，又有什么關系呢?

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內存足夠時，將對應的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不存活了，則會去調用對應的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發現的某種引用類型(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：NeverClearPolicy，AlwaysClearPolicy，LRUCurrentHeapPolicy，LRUMaxHeapPolicy。

其中NeverClearPolicy永遠返回false，代表永遠不回收SoftReference，在JVM中該類沒有被使用，AlwaysClearPolicy則永遠返回true，在referenceProcessor.hpp#setup方法中中可以設置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的靜態字段clock，

java_lang_ref_SoftReference::timestamp(p)對應是字段timestamp。如果上次GC后有調用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(默認應該是LRUCurrentHeapPolicy)，堆可用大小，該SoftReference上一次調用get方法的時間都有關系。

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，這也符合我們的預期：對象不可達后，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，如果內存足夠的話，在Phase 1，相關的引用就會從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，不在本文分析范圍之內，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:
// 移除所有指向對象還存活的引用
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。

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，虛引用能夠在指向對象不可達時得到一個'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依然指向之前創建Object，也就是說Object對象一直沒被回收!

而造成這一現象的原因在上一小節末尾已經說了：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，可以調用clear方法強行解除引用和對象之間的關系，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，我們已經能給出回答：

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

軟引用會在內存不足時被回收，內存不足的定義和該引用對象get的時間以及當前堆可用內存大小都有關系，計算公式在上文中也已經給出。

2.網上對于虛引用的介紹是：形同虛設，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可達的對象引用)，需要調用clear方法解除PhantomReference和其引用對象的引用關系。

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來實現堆外內存回收的，后續會寫篇文章來說說堆外內存的里里外外。

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