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善用 Java 軟參考解決記憶體洩漏與快取設計難題

編輯：Java 相關知識

前言

Java 的垃圾回收機制雖能自動管理記憶體，但若物件生命週期管理不當，仍會導致記憶體洩漏。常見形式之一是物件逗留：本應短暫存在的物件被長期強參考持有，無法被回收。本文介紹 java.lang.ref.SoftReference（軟參考）如何協助垃圾收集器依記憶體壓力彈性回收物件，並示範修正洩漏程式碼與設計低成本快取的實務技巧。

問題情境：物件逗留

以下 LeakyChecksum 類別為了「效能」將位元組陣列緩存為實例欄位：

// BAD CODE - DO NOT EMULATE
public class LeakyChecksum {
    private byte[] byteArray; // 強參考，永不釋放
    public synchronized int getFileChecksum(String fileName) {
        int len = getFileSize(fileName);
        if (byteArray == null || byteArray.length < len)
            byteArray = new byte[len]; // 只增不減
        readFileContents(fileName, byteArray);
        // 計算 checksum...
    }
}

後果：緩衝區永遠不會被 GC 回收，且隨最大檔案增長而膨脹，造成記憶體壓力。

軟參考特性

物件僅被軟參考（或弱參考）指向時，稱為軟可及。
GC 不會積極回收 軟可及物件，僅在記憶體真正不足（拋出 OutOfMemoryError 前）才回收。
適合實作記憶體敏感型快取：記憶體充裕時保留，緊張時自動釋放。

修正範例：使用 SoftReference

import java.lang.ref.SoftReference;

public class CachingChecksum {
    private SoftReference bufferRef; // 軟參考
    public synchronized int getFileChecksum(String fileName) {
        int len = getFileSize(fileName);
        byte[] byteArray = bufferRef.get(); // 取得物件或 null
        if (byteArray == null || byteArray.length < len) {
            byteArray = new byte[len];
            bufferRef = new SoftReference<>(byteArray); // 重新包裝
        }
        readFileContents(fileName, byteArray);
        // 計算 checksum...
    }
}

現在緩衝區在記憶體充足時保留，不足時自動被 GC 回收，下次呼叫會重新分配。

快取設計的兩種策略

策略	結構	優點	缺點
單一 Map	`Map>`	精細控制每個條目	GC 需掃描每個 Reference，負擔較重
整體軟參考	`SoftReference>`	GC 只需處理一個 Reference，回收整個快取效率高	全有或全無，無法單獨淘汰條目

建議：若快取條目數量大、存取頻率高，優先考慮整體軟參考策略。

弱參考 vs 軟參考：快取選擇關鍵

弱參考：GC 頻繁回收（通常在下次 Minor GC 即清除），導致快取命中率極低，不適合 快取。
軟參考：僅在記憶體壓力大時回收，命中率高得多，是廉價快取的首選。

陣列型資料結構的物件逗留

以陣列實作堆疊時，pop() 若不清除陣列元素，會導致彈出物件仍被強參考：

public class LeakyStack {
    private Object[] elements = new Object[MAX_ELEMENTS];
    private int size = 0;
    public Object pop() {
        if (size == 0) throw new EmptyStackException();
        Object result = elements[--size];
        // elements[size] = null; // 必須手動清除！
        return result;
    }
}

修正：在 pop() 後將 elements[size] = null。或改用連結串列實作，生命週期自動綁定。