Java 弱引用 WeakReference 原理與實戰解析

引用類型體系

WeakReference 使用示例

public class TestWeakReference {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        UserInfo user = new UserInfo("Jim Green");
        UserInfo strongRef = user; // 強引用
        WeakReference<UserInfo> weakRef = new WeakReference<>(user);

        System.out.println("GC 前 - 強引用: " + strongRef);
        System.out.println("GC 前 - 弱引用: " + weakRef.get());

        user = null; // 斷開原強引用
        System.gc(); // 請求 GC

        System.out.println("GC 後 - 強引用: " + strongRef); // 仍存在
        System.out.println("GC 後 - 弱引用: " + weakRef.get()); // 仍存在（因 strongRef 仍指向）

        strongRef = new UserInfo("Jim White"); // 覆蓋強引用
        System.gc();

        System.out.println("再次 GC - 強引用: " + strongRef);
        System.out.println("再次 GC - 弱引用: " + weakRef.get()); // null，已被回收
    }
}

class UserInfo {
    private String name;
    public UserInfo(String name) { this.name = name; }
    @Override public String toString() { return "Name: " + name; }
}

輸出結果

GC 前 - 強引用: Name: Jim Green
GC 前 - 弱引用: Name: Jim Green
GC 後 - 強引用: Name: Jim Green
GC 後 - 弱引用: Name: Jim Green
再次 GC - 強引用: Name: Jim White
再次 GC - 弱引用: null

內部實現原理

UML 關係

• Reference (抽象基類) → WeakReference (簡單繼承)
• ReferenceQueue：GC 將回收的引用入隊，供應用輪詢。

Reference 核心字段

private T referent;           // 所引用的物件
private ReferenceQueue<? super T> queue; // 可選隊列
private Reference next;       // 隊列節點指針
// 狀態隱式由 next 指向判斷：null=Active, this=Inactive/Enqueued 末尾, 其他=隊列中

四種狀態流轉

1. Active：剛建立，next=null。
2. Pending：GC 發現 referent 可回收且有 queue，放入 pending 靜態鏈表。
3. Enqueued：ReferenceHandler 守護線程處理 pending，入 queue，next 指向隊列下一個。
4. Inactive：從 queue 移除或無 queue 直接轉入，next=this。

ReferenceHandler 守護線程

private static class ReferenceHandler extends Thread {
    public void run() {
        for (;;) {
            Reference r;
            synchronized (lock) {
                if (pending != null) {
                    r = pending;
                    pending = (r.next == r) ? null : r.next;
                    r.next = r; // 標記為 Enqueued
                } else {
                    lock.wait(); // 等待 GC 喚醒
                }
            }
            if (r instanceof Cleaner) ((Cleaner)r).clean();
            else if (r.queue != ReferenceQueue.NULL) r.queue.enqueue(r);
        }
    }
}

關鍵點：GC 負責 Active→Pending，ReferenceHandler 負責 Pending→Enqueued。

ReferenceQueue 入隊/出隊

boolean enqueue(Reference<? extends T> r) {
    synchronized (r) {
        if (r.queue == ENQUEUED) return false;
        synchronized (lock) {
            r.queue = ENQUEUED;
            r.next = (head == null) ? r : head; // 頭插法
            head = r;
            queueLength++;
            lock.notifyAll();
            return true;
        }
    }
}

WeakHashMap 原理預覽

• Key 使用 WeakReference，Value 為強引用。
• 當 Key 無強引用時，GC 回收 Key，對應 Entry 在下次操作 (get/put/resize) 時被清理。
• 適合「Key 生命週期由外部控制」的快取場景。

總結

• WeakReference 讓物件在「無強引用時」可被 GC 回收。
• 配合 ReferenceQueue 可感知回收事件，做清理工作。
• 實現依賴 GC 與 ReferenceHandler 協作，狀態由 next 指針隱式標記。
• 濫用會導致頻繁 GC、效能抖動，請謹慎使用。

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