PhantomReference虚引用
在分析堆外内存回收之前，先了解下PhantomReference虚引用。
PhantomReference需要与ReferenceQueue引用队列结合使用，在GC进行垃圾回收的时候，如果发现一个对象只有虚引用在引用它，则认为该对象需要被回收，会将引用该对象的虚引用加入到与其关联的ReferenceQueue队列中，开发者可以通过ReferenceQueue获取需要被回收的对象，然后做一些清理操作，从队列中获取过的元素会从队列中清除，之后GC就可以对该对象进行回收。
虚引用提供了一种追踪对象垃圾回收状态的机制，让开发者知道哪些对象准备进行回收，在回收之前开发者可以进行一些清理工作，之后GC就可以将对象进行真正的回收。
来看一个虚引用的使用例子：
- 创建一个
ReferenceQueue队列queue，用于跟踪对象的回收； - 创建一个obj对象，通过new创建的是强引用，只要强引用存在，对象就不会被回收；
- 创建一个虚引用
PhantomReference，将obj对象和ReferenceQueue队列传入，此时phantomReference里面引用了obj对象，并关联着引用队列queue； - 同样的方式创建另一个obj1对象和虚引用对象phantomReference1；
- 将obj置为NULL，此时强引用关系失效；
- 调用
System.gc()进行垃圾回收； - 由于obj的强引用关系失效，所以GC认为该对象需要被回收，会将引用该对象的虚引用phantomReference对象放入到与其关联的引用队列queue中；
- 通过
poll从引用队列queue中获取对象，可以发现会获取到phantomReference对象，poll获取之后会将对象从引用队列中删除，之后会被垃圾回收器回收； - obj1的强引用关系还在，所以从queue中并不会获取到；
public static void main(String[] args) { // 创建引用队列 ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<Object>(); // 创建obj对象 Object obj = new Object(); // 创建虚引用，虚引用引用了obj对象，并与queue进行关联 PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<Object>(obj, queue); // 创建obj1对象 Object obj1 = new Object(); PhantomReference<Object> phantomReference1 = new PhantomReference<Object>(obj1, queue); // 将obj置为NULL，强引用关系失效 obj = null; // 垃圾回收 System.gc(); // 从引用队列获取对象 Object o = queue.poll(); if (null != o) { System.out.println(o.toString()); } } 输出结果：
java.lang.ref.PhantomReference@277c0f21 
Reference实例的几种状态
Active：初始状态，创建一个Reference类型的实例之后处于Active状态，以上面虚引用为例，通过new创建一个PhantomReference虚引用对象之后，虚引用对象就处于Active状态。
Pending：当GC检测到对象的可达性发生变化时，会根据是否关联了引用队列来决定是否将状态更改为Pending或者Inactive，虚引用必须与引用队列结合使用，所以对于虚引用来说，如果它实际引用的对象需要被回收，垃圾回收器会将这个虚引用对象加入到一个Pending列表中，此时处于Pending状态。
同样以上面的的虚引用为例，因为obj的强引用关系失效，GC就会把引用它的虚引用对象放入到pending列表中。
Enqueued：表示引用对象被加入到了引用队列，Reference有一个后台线程去检测是否有处于Pending状态的引用对象，如果有会将引用对象加入到与其关联的引用队列中，此时由Pending转为Enqueued状态表示对象已加入到引用队列中。
Inactive：通过引用队列的poll方法可以从引用队列中获取引用对象，同时引用对象会从队列中移除，此时引用对象处于Inactive状态，之后会被GC回收。
DirectByteBuffer堆外内存回收
在DirectByteBuffer的构造函数中，在申请内存之前，先调用了Bits的reserveMemory方法回收内存，申请内存之后，调用Cleaner的create方法创建了一个Cleaner对象，并传入了当前对象（DirectByteBuffer）和一个Deallocator类型的对象：
class DirectByteBuffer extends MappedByteBuffer implements DirectBuffer { private final Cleaner cleaner; DirectByteBuffer(int cap) { // package-private super(-1, 0, cap, cap); boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned(); int ps = Bits.pageSize(); long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0)); // 清理内存 Bits.reserveMemory(size, cap); long base = 0; try { // 分配内存 base = unsafe.allocateMemory(size); } catch (OutOfMemoryError x) { Bits.unreserveMemory(size, cap); throw x; } unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0); if (pa && (base % ps != 0)) { // Round up to page boundary address = base + ps - (base & (ps - 1)); } else { address = base; } // 创建Cleader，传入了当前对象和Deallocator cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); att = null; } } Cleaner从名字上可以看出与清理有关，Bits的reserveMemory方法底层也是通过Cleaner来进行清理，所以Cleaner是重点关注的类。
Deallocator是DirectByteBuffer的一个内部类，并且实现了Runnable接口，在run方法中可以看到对内存进行了释放，接下来就去看下在哪里触发Deallocator任务的执行：
class DirectByteBuffer extends MappedByteBuffer implements DirectBuffer { private static class Deallocator implements Runnable { // ... private Deallocator(long address, long size, int capacity) { assert (address != 0); this.address = address; // 设置内存地址 this.size = size; this.capacity = capacity; } public void run() { if (address == 0) { // Paranoia return; } // 释放内存 unsafe.freeMemory(address); address = 0; Bits.unreserveMemory(size, capacity); } } } Cleaner
Cleaner继承了PhantomReference，PhantomReference是Reference的子类，所以Cleaner是一个虚引用对象。
创建Cleaner
虚引用需要与引用队列结合使用，所以在Cleaner中可以看到有一个ReferenceQueue，它是一个静态的变量，所以创建的所有Cleaner对象都会共同使用这个引用队列。
在创建Cleaner的create方法中，处理逻辑如下：
- 通过构造函数创建了一个Cleaner对象，构造函数中的referent参数为
DirectByteBuffer，thunk参数为Deallocator对象，在构造函数中又调用了父类的构造函数完成实例化； - 调用add方法将创建的Cleaner对象加入到链表中，添加到链表的时候使用的是头插法，新加入的节点放在链表的头部，first成员变量是一个静态变量，它指向链表的头结点，创建的Cleaner都会加入到这个链表中；
创建后的Cleaner对象处于Active状态。
public class Cleaner extends PhantomReference<Object>{ // ReferenceQueue队列 private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue<>(); // 静态变量，链表的头结点，创建的Cleaner都会加入到这个链表中 static private Cleaner first = null; // thunk private final Runnable thunk; public static Cleaner create(Object ob, Runnable thunk) { if (thunk == null) return null; // 创建一个Cleaner并加入链表 return add(new Cleaner(ob, thunk)); } private Cleaner(Object referent, Runnable thunk) { super(referent, dummyQueue); // 调用父类构造函数，传入引用对象和引用队列 this.thunk = thunk; // thunk指向传入的Deallocator } private static synchronized Cleaner add(Cleaner cl) { // 如果头结点不为空 if (first != null) { // 将新加入的节点作为头结点 cl.next = first; first.prev = cl; } first = cl; return cl; } } Cleaner调用父类构造函数时，最终会进入到父类Reference中的构造函数中：
referent：指向实际的引用对象，上面创建的是DirectByteBuffer，所以这里指向的是DirectByteBuffer。
queue：引用队列，指向Cleaner中的引用队列dummyQueue。
public class PhantomReference<T> extends Reference<T> { // ... public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) { super(referent, q); // 调用父类构造函数 } } public abstract class Reference<T> { /* 引用对象 */ private T referent; // 引用队列 volatile ReferenceQueue<? super T> queue; Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) { this.referent = referent; // 设置引用队列 this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue; } }
启动ReferenceHandler线程
Reference中有一个静态方法，里面创建了一个ReferenceHandler并设置为守护线程，然后启动了该线程，并创建了JavaLangRefAccess对象设置到SharedSecrets中：
public abstract class Reference<T> { static { ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup(); for (ThreadGroup tgn = tg; tgn != null; tg = tgn, tgn = tg.getParent()); // 创建ReferenceHandler Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler"); // 设置优先级为最高 handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); handler.setDaemon(true); handler.start(); // 这里设置了JavaLangRefAccess SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() { @Override public boolean tryHandlePendingReference() { // 调用了tryHandlePending return tryHandlePending(false); } }); } } ReferenceHandler是Reference的内部类，继承了Thread，在run方法中开启了一个循环，不断的执行tryHandlePending方法，处理Reference中的pending列表：
public abstract class Reference<T> { private static class ReferenceHandler extends Thread { // ... ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) { super(g, name); } public void run() { while (true) { // 处理pending列表 tryHandlePending(true); } } } } Cleaner会启动一个优先级最高的守护线程，不断调用tryHandlePending来检测是否有需要回收的引用对象(还未进行真正的回收)，然后进行处理。
处理pending列表
垃圾回收器会将要回收的引用对象放在Reference的pending变量中，从数据类型上可以看出pending只是一个Reference类型的对象，并不是一个list，如果有多个需要回收的对象，如何将它们全部放入pending对象中？
可以把pengding看做是一个链表的头结点，假如有引用对象被判定需要回收，如果pengding为空直接放入即可，如果不为空，将使用头插法将新的对象加入到链表中，也就是将新对象的discovered指向pending对象，然后将pending指向当前要回收的这个对象，这样就形成了一个链表，pending指向链表的头结点。
在pending链表中的引用对象处于pending状态。
接下来看tryHandlePending方法的处理逻辑：
-
如果pending不为空，表示有需要回收的对象，此时将pengding指向的对象放在临时变量
r中，并判断是否是Cleaner类型，如果是将其强制转为Cleaner，记录在临时变量c中，接着更新pending的值为r的discovered，因为discovered中记录了下一个需要被回收的对象，pengding需要指向下一个需要被回收的对象；pending如果为NULL，会进入到else的处理逻辑，返回值为参数传入的waitForNotify的值。
-
判断
Cleaner对象是否为空，如果不为空，调用Cleaner的clean方法进行清理； -
获取引用对象关联的引用队列，然后调用
enqueue方法将引用对象加入到引用队列中； -
返回true；
public abstract class Reference<T> { // 指向pending列表中的下一个节点 transient private Reference<T> discovered; // 静态变量pending列表，可以看做是一个链表，pending指向链表的头结点 private static Reference<Object> pending = null; static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) { Reference<Object> r; Cleaner c; try { synchronized (lock) { // 如果pending不为空 if (pending != null) { // 获取pending执行的对象 r = pending; // 如果是Cleaner类型 c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null; // 将pending指向下一个节点 pending = r.discovered; // 将discovered置为空 r.discovered = null; } else { // 等待 if (waitForNotify) { lock.wait(); } return waitForNotify; } } } catch (OutOfMemoryError x) { Thread.yield(); // retry return true; } catch (InterruptedException x) { // retry return true; } if (c != null) { // 调用clean方法进行清理 c.clean(); return true; } // 获取引用队列 ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue; // 如果队列不为空，将对象加入到引用队列中 if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r); // 返回true return true; } } 释放内存
在Cleaner的clean方法中，可以看到，调用了thunk的run方法，前面内容可知，thunk指向的是Deallocator对象，所以会执行Deallocator的run方法，Deallocator的run方法前面也已经看过，里面会对DirectByteBuffer的堆外内存进行释放：
public class Cleaner extends PhantomReference<Object> { public void clean() { if (!remove(this)) return; try { // 调用run方法 thunk.run(); } catch (final Throwable x) { AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() { public Void run() { if (System.err != null) new Error("Cleaner terminated abnormally", x) .printStackTrace(); System.exit(1); return null; }}); } } } 总结
Cleaner是一个虚引用，它实际引用的对象DirectByteBuffer如果被GC判定为需要回收，会将引用该对象的Cleaner加入到pending列表，ReferenceHandler线程会不断检测pending是否为空，如果不为空，就对其进行处理：
- 如果对象类型为Cleaner，就调用Cleaner的clean方法进行清理，Cleaner的clean方法又会调用Deallocator的run方法，里面调用了freeMemory方法对DirectByteBuffer分配的堆外内存进行释放；
- 将Cleaner对象加入到与其关联的引用队列中；
引用队列
ReferenceQueue名字听起来是一个队列，实际使用了一个链表，使用头插法将加入的节点串起来，ReferenceQueue中的head变量指向链表的头节点，每个节点是一个Reference类型的对象：
public class ReferenceQueue<T> { // head为链表头节点 private volatile Reference<? extends T> head = null; } Reference中除了discovered变量之外，还有一个next变量，discovered指向的是处于pending状态时pending列表中的下一个元素，next变量指向的是处于Enqueued状态时，引用队列中的下一个元素：
public abstract class Reference<T> { /* When active: 处于active状态时为NULL * pending: this * Enqueued: Enqueued状态时，指向引用队列中的下一个元素 * Inactive: this */ @SuppressWarnings("rawtypes") Reference next; /* When active: active状态时，指向GC维护的一个discovered链表中的下一个元素 * pending: pending状态时，指向pending列表中的下一个元素 * otherwise: 其他情况为NULL */ transient private Reference<T> discovered; /* used by VM */ }
enqueue入队
进入引用队列中的引用对象处于enqueue状态。
enqueue的处理逻辑如下：
- 判断要加入的对象关联的引用队列，对队列进行判断，如果队列为空或者队列等于
ReferenceQueue中的空队列ENQUEUED，表示该对象之前已经加入过队列，不能重复操作，返回false，如果未加入过继续下一步； - 将对象所关联的引用队列置为
ENQUEUED，它是一个空队列，表示节点已经加入到队列中； - 判断头节点是否为空，如果为空，表示链表还没有节点，将当前对象的next指向自己，如果头结点不为空，将当前对象的next指向头结点，然后更新头结点的值为当前对象（头插法插入链表）；
- 增加队列的长度，也就是链表的长度；
public class ReferenceQueue<T> { // 空队列 static ReferenceQueue<Object> ENQUEUED = new Null<>(); // 入队，将节点加入引用队列，队列实际上是一个链表 boolean enqueue(Reference<? extends T> r) { synchronized (lock) { // 获取关联的引用队列 ReferenceQueue<?> queue = r.queue; // 如果为空或者已经添加到过队列 if ((queue == NULL) || (queue == ENQUEUED)) { return false; } assert queue == this; // 将引用队列置为一个空队列，表示该节点已经入队 r.queue = ENQUEUED; // 如果头结点为空将下一个节点置为自己，否则将next置为链表的头结点，可以看出同样使用的是头插法将节点插入链表 r.next = (head == null) ? r : head; // 更新头结点为当前节点 head = r; // 增加长度 queueLength++; if (r instanceof FinalReference) { sun.misc.VM.addFinalRefCount(1); } lock.notifyAll(); return true; } } } poll出队
在调用poll方法从引用队列中获取一个元素并出队的时候，首先对head头结点进行判空，如果为空表示引用队列中没有数据，返回NULL，否则调用reallyPoll从引用队列中获取元素。
出队的处理逻辑如下：
-
获取链表中的第一个节点也就是头结点，如果不为空进行下一步；
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如果头节点的下一个节点是自己，表示链表只有一个节点，头结点出队之后链表为空，所以将头结点的值更新为NULL；
如果头节点的下一个节点不是自己，表示链表中还有其他节点，更新head头节点的值为下一个节点，也就是next指向的对象；
-
将需要出队的节点的引用队列置为NULL，next节点置为自己，表示节点已从队列中删除；
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引用队列的长度减一；
-
返回要出队的节点；
从出队的逻辑中可以看出，引用队列中的对象是后进先出的，poll出队之后的引用对象处于Inactive状态，表示可以被GC回收掉。
public class ReferenceQueue<T> { /** * 从引用队列中获取一个节点，进行出队操作 */ public Reference<? extends T> poll() { // 如果头结点为空，表示没有数据 if (head == null) return null; synchronized (lock) { return reallyPoll(); } } @SuppressWarnings("unchecked") private Reference<? extends T> reallyPoll() { 、 /* Must hold lock */ // 获取头结点 Reference<? extends T> r = head; if (r != null) { // 如果头结点的下一个节点是自己，表示链表只有一个节点，head置为null，否则head值为r的下一个节点，也就是next指向的对象 head = (r.next == r) ? null : r.next; // 将引用队列置为NULL r.queue = NULL; // 下一个节点置为自己 r.next = r; // 长度减一 queueLength--; if (r instanceof FinalReference) { sun.misc.VM.addFinalRefCount(-1); } // 返回链表中的第一个节点 return r; } return null; } } reserveMemory内存清理
最开始在DirectByteBuffer的构造函数中看到申请内存之前会调用Bits的reserveMemory方法，如果没有足够的内存，它会从SharedSecrets获取JavaLangRefAccess对象进行一些处理，由前面的内容可知，Reference中的静态方法启动ReferenceHandler之后，创建了JavaLangRefAccess并设置到SharedSecrets中，所以这里调用JavaLangRefAccess的tryHandlePendingReference实际上依旧调用的是Reference中的tryHandlePending方法。
在调用Reference中的tryHandlePending方法处理需要回收的对象之后，调用tryReserveMemory方法判断是否有足够的内存，如果内存依旧不够，会调用` System.gc()触发垃圾回收，然后开启一个循环，处理逻辑如下：
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判断内存是否充足，如果充足直接返回；
-
判断睡眠次数是否小于限定的最大值，如果小于继续下一步，否则终止循环；
-
调用tryHandlePendingReference处理penging列表中的引用对象，前面在处理pending列表的逻辑中可以知道，如果pending列表不为空，会返回true，tryHandlePendingReference也会返回true，此时意味着清理了一部分对象，所以重新进入到第1步进行检查；
如果pending列表为空，会返回参数中传入的waitForNotify的值，从JavaLangRefAccess的tryHandlePendingReference中可以看出这里传入的是false，所以会进行如下处理：
- 通过
Thread.sleep(sleepTime)让当前线程睡眠一段时间，这样可以避免reserveMemory方法一直在占用资源; - 对睡眠次数加1;
- 通过
-
如果以上步骤处理之后还没有足够的空间会抛出抛出OutOfMemoryError异常；
reserveMemory方法的作用是保证在申请内存之前有足够的内存，如果没有足够的内存会进行清理，达到指定清理次数之后依旧没有足够的内存空间，将抛出OutOfMemoryError异常。
class Bits { static void reserveMemory(long size, int cap) { if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) { maxMemory = VM.maxDirectMemory(); memoryLimitSet = true; } // 是否有足够内存 if (tryReserveMemory(size, cap)) { return; } // 获取JavaLangRefAccess final JavaLangRefAccess jlra = SharedSecrets.getJavaLangRefAccess(); // 调用tryHandlePendingReference while (jlra.tryHandlePendingReference()) { // 判断是否有足够的内存 if (tryReserveMemory(size, cap)) { return; } } // 调用gc进行垃圾回收 System.gc(); boolean interrupted = false; try { long sleepTime = 1; int sleeps = 0; // 开启循环 while (true) { // 是否有足够内存 if (tryReserveMemory(size, cap)) { return; } // 如果次数小于最大限定次数，终止 if (sleeps >= MAX_SLEEPS) { break; } // 再次处理penging列表中的对象 if (!jlra.tryHandlePendingReference()) { try { // 睡眠一段时间 Thread.sleep(sleepTime); sleepTime <<= 1; sleeps++; // 睡眠次数增加1 } catch (InterruptedException e) { interrupted = true; } } } // 抛出OutOfMemoryError异常 throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory"); } finally { if (interrupted) { // don't swallow interrupts Thread.currentThread().interrupt(); } } } } public abstract class Reference<T> { static { // ... // 这里设置了JavaLangRefAccess SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() { @Override public boolean tryHandlePendingReference() { // 调用tryHandlePending,这里waitForNotify参数传入的是false return tryHandlePending(false); } }); } } 参考
