개발 일지

자바 레퍼런스의 종류

November 16, 2022

Reference와 GC

우리가 일반적으로 작성하는 코드에서 레퍼런스는 Object ref = new Object()와 같이 할당을 통해 관계가 형성된다. 이처럼 대입 연산자를 통해 만들어지는 레퍼런스를 Strong Reference라고 하며, 이 강한 레퍼런스가 있는한 객체는 절대 GC의 대상이 될 수 없다. 그리고 모종의 이유로 이런 레퍼런스가 끊겼을 때 비로소 GC에 의해 객체가 수거된다. 

@Test
@DisplayName("Strong reference")
void strongReference() {
  // Object는 gc의 대상이 될 수 없음
  Object ref = new Object();
  System.gc();
  
  // 레퍼런스를 잃는다면 gc의 대상이 됨
  ref = null;
  System.gc();
}

아마 절대 다수가 이런 Strong Reference로 구성된다. 하지만 특수한 경우 사용할 수 있는 레퍼런스를 java.lang.ref 패키지에서 제공하고 있으며, 이는 개발자가 제한적으로 GC와 직접 상호작용할 수 있는 수단을 제공한다.

Weak Reference

@Test
@DisplayName("Weak reference")
void weakReference() {
  Object ref = new Object();
  WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(ref);

  ref = null;

  System.gc();
  Thread.sleep(3000L);

  assertThat(weakRef.get()).isNull();
}

위 코드와 같이 ref를 가리키는 WeakReference 객체를 생성하고 기존 강한 레퍼런스를 제거한다. 그러면 Object 인스턴스는 WeakReference 내부에서 가리키는 레퍼런스만을 가지게 되는데 이 상황에서 Object 인스턴스는 Weak Reachable 상태라고 한다.

weak-reference

이 상태에서 GC가 트리거된다면 GC는 Object는 수거해버린다. 따라서 위 테스트 코드는 명시적인 gc 호출이 즉시 실행됐을 경우 성공한다. 이를 사용하는 대표적인 기능에는 WeakHashMap이 있다. 이 자료구조 같은 경우에는 키에 해당하는 인스턴스가 어딘가에서 참조되고 있을 때만 엔트리가 유지되며 키에 대한 레퍼런스를 잃으면 gc의 대상이 된다.

@Test
@DisplayName("WeakHashMap")
void weakHashMap() throws InterruptedException {
  WeakHashMap<Key, String> weakHashMap = new WeakHashMap<>();

  Key key = new Key("my key");
  weakHashMap.put(key, "my value");
  assertThat(weakHashMap).hasSize(1);

  key = null;
  System.gc();
  Thread.sleep(3000L);
  assertThat(weakHashMap).hasSize(0);
}

private static class Key {
  private String key;

  public Key(String key) {
    this.key = key;
  }
}

Soft Reference

@Test
@DisplayName("Soft Reference")
void softReference() throws InterruptedException {
  Object ref = new Object();
  SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(ref);

  ref = null;

  System.gc();
  Thread.sleep(3000L);

  assertThat(softRef.get()).isNotNull();
}

soft-reference

객체의 레퍼런스가 SoftReference에 의한 참조만 존재하는 경우인 Soft Reachable 상태도 마찬가지로 GC의 대상이다. 그러나 위 테스트는 GC 이 후에도 여전히 참조를 가지고 있는데 이는 GC의 시점이 좀 다르다. SoftReference 같은 경우에는 실제 메모리가 부족하다고 판단될 때 수거되며 그 전까지 객체는 수거되지 않는다.

Phantom Reference

@Test
@DisplayName("Phantom Reference")
void phantomReference() throws InterruptedException {
  Object ref = new Object();
  ReferenceQueue<Object> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
  PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(ref, referenceQueue);

  ref = null;

  System.gc();
  Thread.sleep(5000L);

  assertThat(phantomRef.refersTo(null)).isTrue();
  assertThat(referenceQueue.poll()).isEqualTo(phantomRef);
}

PhantomReference는 성격이 조금 다르다. 앞서 ReferenceQueue에 대한 정의가 필요하다. 레퍼런스 객체 내에서 참조하고 있는 객체가 GC에 의해 수거되면, 레퍼런스 객체들이 해당 큐에 삽입되게 된다. SoftReference와 WeakReference에서는 이 큐에 대한 지정을 할 수 있다. 그러나 어디까지나 선택적이며 사용하지 않을 수도 있는 반면, PhantomReference에서는 강제되어 반드시 사용해야 선언할 수 있다.

동작도 좀 다른데 SoftReference와 WeakReference는 GC에 의해 참조하고 있는 객체가 수거되면 바로 null로 변환되지만, PhantomReference 같은 경우에는 객체를 Phantomly Reachable 상태로 만들게 된다. 이 타입만 성격이 다른 것은 GC의 처리 순서와 관련이 있다.

  1. Strong Reachable
  2. Soft Reachable
  3. Weak Reachable
  4. finalize 수행
  5. Phantom Reachable
  6. 메모리 회수

위와 같은 순서로 처리되기 때문에 PhantomReference를 사용하는 경우에는 finalize가 수행되고 후처리 작업을 진행할 수 있다. 이처럼 PhantomReference 같은 경우에는 메모리에서 삭제되는 시점에 특정한 작업을 하기 위한 목적이 강하다.

System.gc()를 호출한다고 해서 gc가 즉시 트리거됨은 보장 못하므로 위 테스트들은 실패할 수 있다.


참고

songmk 🙁