1 狀態機

狀態轉移圖

@startuml
[*] -> active: 新建
active -down-> inactive: 可達性改變且無注冊隊列
active -right-> pending: 可達性改變且有注冊隊列
pending -down-> enqueued: 成功加入隊列
enqueued -left-> inactive: 從隊列移除
inactive -left-> [*]
@enduml

狀態轉移圖

說明：

1. active。此狀態需要收集器進行特殊處理。當收集器檢測到referent的可達性發生改變，它會將實例的狀態改為為pending或inactive，這取決于實例在創建時是否已注冊到某個隊列。有注冊隊列情況，實例會添加到pending-Reference列表中，等待入隊。新建引用實例是活動狀態。
2. pending。表示pending-Reference列表的元素，等待被Reference-handler處理并入隊。未注冊引用實例不會有此狀態。。
3. enqueued。表示在注冊隊列中的元素。當實例從ReferenceQueue中移除時，它將變為inactive。未注冊引用實例不會有此狀態。盡管Reference提供了入隊方法，但是收集器執行的入隊操作是直接執行的，而不是調用Reference的入隊方法。
4. inactive。終止態，不會在改變。

狀態編碼
引用的狀態是通過不同字段值共同體現的。

如何判斷引用狀態是否是active?
基于以上編碼關系，垃圾收集器只需要對next字段進行判斷，決定是不是需要進行特殊處理。規則如下：如果next字段為NULL，那么實例是active的；否則，收集器將會按照普通情況處理。

discovered字段的用途？
當引用狀態為active時，為了保證并發收集器能夠發現下一個active引用，同時不影響應用線程對這些active引用執行enqueue操作，收集器使用了discovered字段記錄了下一個active引用。
當引用狀態為pending時，discovered字段還記錄了pending列表中的下一個引用。

引用隊列的用途？
如果程序需要感知對象可達性的變化時，那么要在創建引用對象時傳入注冊隊列。當垃圾收集器發現referent可達性發生變化時，會將referent的引用加入到注冊隊列中。此時，引用處于enqueued狀態。程序可以通過阻塞輪詢的方式，從隊列中移除引用。[2]

已注冊引用和引用注冊隊列的關系是單向的。也就是說，引用注冊隊列不會跟蹤已注冊引用的狀態。如果已注冊引用的狀態變為不可達，那么它永遠不會進入引用注冊隊列。所以，程序需要保證referent對象的可達性。

如果保證referent的可達性呢？
一種方式，使用單獨的線程輪詢，并從隊列中刪除引用對象，然后對其進行處理。
另一種方式，在執行操作引用時進行檢查(lazy)。
例如，使用弱引用實現弱鍵的哈希表，可以在每次訪問時輪詢其引用隊列。這就是WeakHashMap類的工作原理。由于ReferenceQueue.poll方法只檢查內部數據結構，因此，將為哈希表訪問方法增加很少的開銷。

引用是何時入隊的?
收集器在將軟引用和弱引用加入注冊隊列（如果有的話）之前，自動清除軟引用和弱引用。因此，軟引用和弱引用不需要注冊到隊列中才能發揮作用，而虛引用則需要注冊隊列。虛引用對象會保持可達，除非虛引用被清除或者虛引用對象本身不可達。

public static void main(String[] args) {
    ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
    PhantomReference phantomReference = // 如果不聲明本地變量，在gc后將會入隊
            new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);
    System.gc();
    System.out.println("Object in queue: " + referenceQueue.poll());
}

2 tryHandlePending

處理pending列表中的引用對象。
參考如下代碼，可見處理過程中，體現了這樣一點。discovered字段記錄這pending列表中的下一個元素。

Reference<Object> r;
Cleaner c;
synchronized (lock) {
    if (pending != null) {
        r = pending;
        // 'instanceof' might throw OutOfMemoryError sometimes
        // so do this before un-linking 'r' from the 'pending' chain...
        c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
        // unlink 'r' from 'pending' chain
        pending = r.discovered;
        r.discovered = null;
    } else {
        // The waiting on the lock may cause an OutOfMemoryError
        // because it may try to allocate exception objects.
        if (waitForNotify) {
            lock.wait();
        }
        // retry if waited
        return waitForNotify;
    }
}
// Cleaner繼承了PhantomReference，用于一些清理工作
if (c != null) {
    c.clean();
    return true;
}

ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
// 有注冊隊列，未入隊
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);

3 引用類型

當對象不屬于上述四種可達方式時，成為不可達對象。不可達對象，需要進行回收。

軟引用代碼示例：

public static void main(String[] args) {
    Reference reference = new SoftReference(new Object());
    System.gc(); // 輸出結果非null
    System.out.println("Object is: " + reference.get());
}

弱引用代碼示例：

public static void main(String[] args) {
    Reference reference = new WeakReference(new Object());
    System.gc(); // 注釋掉時，輸出結果非null
    System.out.println("Object is: " + reference.get());
}

幻象引用代碼示例：

public static void main(String[] args) {
    Reference reference = new PhantomReference(new Object(), null);
    System.gc(); // 無論是否注釋掉，結果始終為null。因為重寫了get方法
    System.out.println("Object is: " + reference.get());
}

問題

參考資料

1. Reference
2. package-summary.html#reachability