Java中的引用和动态代理的实现详解

我们知道，动态代理（这里指jdk的动态代理）与静态代理的区别在于，其真实的代理类是动态生成的。但具体是怎么生成，生成的代理类包含了哪些内容，以什么形式存在，它为什么一定要以接口为基础？

如果去看动态代理的源代码（java.lang.reflect.proxy），会发现其原理很简单（真正二进制类文件的生成是在本地方法中完成，源代码中没有），但其中用到了一个缓冲类java.lang.reflect.weakcache<classloader,class<?>[],class<?>>，这个类用到了弱引用来构建。

在jdk的3个特殊引用中，弱引用是使用范围最广的，它的特性也最清晰，相对而言，其他两种逻辑稍显晦涩，源码中的注释也语焉不详。本文将简单介绍几种引用的行为特征，然后分析一下弱引用的一些实际应用场景，其中包含了动态代理中的实现。本文将包含以下内容：

jdk中的引用类型

不同引用类型对gc行为的影响

引用类型的实现

threadlocal对弱引用的使用

动态代理对弱引用的实现

虚引用如何导致内存泄漏

jdk中「引用（reference）」的类型

java的所有运行逻辑都是基于引用的，其形态类似于不可变的指针，所以在java中会有一些很绕的概念，比如说，java中函数的传参是值传递，但这里所说的值，其实是引用的值，所以你可以通过一个函数的参数来修改其对象的值。另一方面，java中还存在一些基本数据类型，它们没有引用，传递的是真实的值，所以不能在函数内部修改参数的值。

关于引用，java中有这样几种：

1.强引用

所有对象的引用默认为强引用，普通代码中，赋值语句之间传递的都是强引用，如果一个对象可以被某个线程（活着的，下同）通过强引用访问到，则称之为强可达的（stronglyreachable）。

强可达的对象不会被gc回收。

2.软引用（softreference<t>）

当一个对象不是强可达的，但可以被某个线程通过软引用访问到，则称之为软可达的（softlyreachable）。

软可达的对象的引用只有在内存不足时会被清除，使之可以被gc回收。在这一点上，jvm是不保证具体什么时候清除软引用，但可以保证在oom之前会清除软可达的对象。同时，jvm也不保证软可达的对象的回收顺序，但oraclejdk的文档中提到，最近创建和最近使用的软可达对象往往会最后被回收，与lru类似。

关于软可达的对象何时被回收，可以参考oracle的文档。

3.弱引用（weakreference<t>）

当一个对象不是强可达的，也不是软可达的，但可以被某个线程通过弱引用访问到，则称之为弱可达的（weaklyreachable）。

弱引用是除了强引用之外，使用最广泛的引用类型，它的特性也更简单，当一个对象是弱可达时，jvm就会清除这个对象上的弱引用，随后对这个对象进行回收动作。

4.虚引用（phantomreference<t>）

当一个对象，通过以上几种可达性分析都不可达，且已经finalized，但有虚引用指向它，则它是虚可达的（phantomreachable）。

虚引用是行为最诡异，使用方法最难的引用，后边会讲到。

虚引用不会影响gc，它的get()方法永远返回null，唯一的用处就是在gcfinalize一个对象之后，它会被放到指定的队列中去。关于这个队列会在下边说明。

不同gc行为背后的原理

jvmgc的可达性分析

jvm的gc通过可达性分析来判断一个对象是否可被回收，其基本思路就是以gcroots为起点遍历链路上所有对象，当一个对象和gcroots之间没有任何的直接或间接引用相连时，就称之为不可达对象，则证明此对象是不可用的。

而进一步，java中又定义了如上所述的4种不同的可达性，用来实现更精细的gc策略。

finalaze和referencequeue

对于普通的强引用对象，如果其变成不可达之后，通常gc会进行finalize（finalize主要目的是让用户可以自定义释放资源的过程，通常是释放本地方法中使用的资源），然后将它的对象销毁回收，但对于本文中讨论的3种引用，还有可能在这个过程中做一些别的事情：

gc根据约定的规则来决定是否清除这些引用

这方面上一节已经讲过了，每个引用类型都有约定的处理规则。

如果它们注册了引用队列，在finalize对象后，将引用的对象放入队列。

主要用来使开发者可以得到对象被销毁的通知，当然，如虚引用这样的，其引用不会自动被清除，所以它可以阻止其所引用的对象被回收。

引用（java.lang.ref.reference<t>）对象的状态

这里所说的「引用对象」指的是由类java.lang.ref.reference<t>生产的对象，这个对象上保持了「需要特殊处理的」对「目标对象」的引用。

引用对象有4种状态，根据它与其注册的队列的关系，分为以下4种：

active

引用对象的初始状态，表示gc要按照特殊的逻辑来处理这个对象，大致方法就是按照上一节提到的。

pending

如果一个引用对象，其注册了队列，在入队之前，会进入这个状态。

enqueued

一个引用对象入队后，进入这个状态。

inactive

一个引用对象出队后，或者没有注册队列，其队列是一个特殊的对象java.lang.ref.referencequeue.null，表示这个对象已经没有用了。

几种引用的实际应用

日常开发工作中，用到除强引用之外的引用的可能性很小，只有在处理一些性能敏感的逻辑时，才需要考虑使用这些特殊的引用，下面就举几个相关的实际例子，分析其使用场景。

软引用

弱引用的使用比较简单，如guava中的localcache中就是用了softreference来做缓存。

弱引用

弱引用是使用的比较多的，从上文的描述可知：对于一个「目标对象a」，如果还有强引用指向它，那么从一个弱引用就可以访问到a，一旦没有强引用指向它，那么就可以认为，从这个弱引用就访问不到a了（实际情况可能会有偏差）。

根据这个特点，jdk中注释说到，弱引用通常用来做映射表（canonicalizingmapping），总结下来映射表有这样2个特点：

如果表中的key（或者value）还存在强引用，则可以通过key访问到value，反之则访问不到

换句话说，只要有原始的key，就能访问到value。

映射表本身不会影响其中key或者value的gc

在jdk中有很多个地方使用了它的这个特点，下面是2个具有代表性的实例。

1.threadlocal

threadlocal的原理比较简单，线程中保持了一个以threadlocal为key的threadlocal.threadlocalmap对象threadlocals，其中的entry如代码1中所示：

其引用关系如下图所示：

threadlocal中的引用关系

从上图可以看出，当引用2被清除之后（threadlocal对象不再使用），如果引用4为强引用，则不论引用1是否还存在，只要thread对象还没死，则对象1和对象2永远不会被释放。

2.动态代理

动态代理是java世界一个十分重要的特性，对于需要做aop的业务逻辑十分重要。jdk本身提供了基于反射的动态代理机制，其原理大致是要通过预先定义的接口（interface）来动态的生成代理类，并将之代理到invocationhandler的实例上去。jdk的动态代理使用起来很简单，如下代码2中所示：

动态代理的实现原理

关于java中的动态代理，我们首先需要了解的是一种常用的设计模式--代理模式，而对于代理，根据创建代理类的时间点，又可以分为静态代理和动态代理。

代理模式是常用的java设计模式，他的特征是代理类与委托类有同样的接口，代理类主要负责为委托类预处理消息、过滤消息、把消息转发给委托类，以及事后处理消息等。代理类与委托类之间通常会存在关联关系，一个代理类的对象与一个委托类的对象关联，代理类的对象本身并不真正实现服务，而是通过调用委托类的对象的相关方法，来提供特定的服务。简单的说就是，我们在访问实际对象时，是通过代理对象来访问的，代理模式就是在访问实际对象时引入一定程度的间接性，因为这种间接性，可以附加多种用途。

参阅：java设计模式之代理模式原理及实现代码分享

其实现原理其实也很简单，就是在方法proxy.newproxyinstance(classloader loader, class<?>[] interfaces, invocationhandler h)中动态生成一个「实现了interfaces中所有接口」并「继承于proxy」的代理类，并生成相应的对象。

生成动态类的逻辑在方法java.lang.reflect.proxy.proxyclassfactory.apply(classloader, class<?>[])，代码如下：

动态代理中的缓存策略

为了更高效的使用动态代理，proxy类中采用了缓存策略（代码3中的proxyclasscache ）来缓存动态生成的代理类，由于这个缓存对象是静态的，也就是说一旦proxy类被加载，proxyclasscache 很可能永远不会被gc回收，然而它必须要保持对其中的classloader和class的引用，如果这里使用强引用，则它们也随着proxyclasscache 永远不会被gc回收。

不再使用的类和类加载器如果无法被gc，其内存泄漏的风险很大。所以weakcache中设计为，「传入的类加载器」和「生成的代理类」为弱引用。

类和类加载器是相互引用的，而类加载器的内存泄漏可能会带来很严重的问题，有兴趣可以去看这篇文章：reloading java classes 201: how do classloader leaks happen?

从代码5中可以看出，weakcache对象中保持了对classloader（包装为cachekey）和代理类（包装为cachevalue）的弱引用，所以当此类加载器和代理类不再被强引用时，它们就会被回收。

存在的问题

然而，weakcache的实现是有问题的，在java.lang.reflect.weakcache.reversemap和java.lang.reflect.weakcache.valuefactory中的状态在极限情况下可能会出现不同步，导致一个代理类被调用java.lang.reflect.proxy.isproxyclass(class<?>)的返回值不正确。具体可以参考raceconditioninjava.lang.reflect.weakcache。

不过这个问题在jdk9中已经不存在了。

关于虚引用的gc行为

在上一节，并没有列出虚引用的使用场景，因为它的使用场景十分单一。phantomreference设计的目的就是可以在对象被回收之前收到通知（通过注册的队列），所以它没有不含注册队列的构造器（只有publicphantomreference(treferent,referencequeue<?supert>q)，但你仍可以传null进去），但这种场景在jdk里并没有出现，也很少有开发者使用它。

从phantomreference类的源代码可知，你永远无法通过它获取到它引用的那个对象（其get()方法永远返回null），但是它又可以阻止其引用的目标对象被gc回收。从上文可知，通常一个不可达（强不可达、软不可达、弱不可达）的对象会被finalize，然后被回收。但如果它在被回收前，gc发现它仍然是虚可达，那么它就不会回收这块内存，而这块内存又不能被访问到，那么这块内存就泄漏了。

想要虚引用的「目标对象」被回收，必须让「引用对象」本身不可达，或者显式地清除虚引用。所以如果使用不当，很可能会造成内存泄漏，这也是它使用范围不广的原因之一。

代码6演示了这3种引用分别的gc行为：

以上代码展示了4种影响gc的行为，分别是：

1. 使用软引用的gc行为

gc日志如下，可以看到，当系统内存不够的时候（oom之前），软引用会被清除，引发gc，释放内存。

2. 使用弱引用

gc日志如下，从中可以看到，弱引用所引用的目标对象，时时刻刻都在被gc。

3. 使用虚引用，不显式清除

gc日志如下，可以看到，不显式清除的虚引用会阻止gc回收内存，最终导致oom。

4. 使用虚引用，显式清除

显式清除的虚引用，不会影响gc，其gc行为和弱引用十分相似。

总结

以上就是本文关于java中的引用和动态代理的实现详解的全部内容，希望对大家有所帮助。如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持。

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