1 状态机

状态转移图

@startuml
[*] -> active: 新建
active -down-> inactive: 可达性改变且无注册队列
active -right-> pending: 可达性改变且有注册队列
pending -down-> enqueued: 成功加入队列
enqueued -left-> inactive: 从队列移除
inactive -left-> [*]
@enduml

状态转移图

说明：

1. active。此状态需要收集器进行特殊处理。当收集器检测到referent的可达性发生改变，它会将实例的状态改为为pending或inactive，这取决于实例在创建时是否已注册到某个队列。有注册队列情况，实例会添加到pending-Reference列表中，等待入队。新建引用实例是活动状态。
2. pending。表示pending-Reference列表的元素，等待被Reference-handler处理并入队。未注册引用实例不会有此状态。。
3. enqueued。表示在注册队列中的元素。当实例从ReferenceQueue中移除时，它将变为inactive。未注册引用实例不会有此状态。尽管Reference提供了入队方法，但是收集器执行的入队操作是直接执行的，而不是调用Reference的入队方法。
4. inactive。终止态，不会在改变。

状态编码
引用的状态是通过不同字段值共同体现的。

如何判断引用状态是否是active?
基于以上编码关系，垃圾收集器只需要对next字段进行判断，决定是不是需要进行特殊处理。规则如下：如果next字段为NULL，那么实例是active的；否则，收集器将会按照普通情况处理。

discovered字段的用途？
当引用状态为active时，为了保证并发收集器能够发现下一个active引用，同时不影响应用线程对这些active引用执行enqueue操作，收集器使用了discovered字段记录了下一个active引用。
当引用状态为pending时，discovered字段还记录了pending列表中的下一个引用。

引用队列的用途？
如果程序需要感知对象可达性的变化时，那么要在创建引用对象时传入注册队列。当垃圾收集器发现referent可达性发生变化时，会将referent的引用加入到注册队列中。此时，引用处于enqueued状态。程序可以通过阻塞轮询的方式，从队列中移除引用。[2]

已注册引用和引用注册队列的关系是单向的。也就是说，引用注册队列不会跟踪已注册引用的状态。如果已注册引用的状态变为不可达，那么它永远不会进入引用注册队列。所以，程序需要保证referent对象的可达性。

如果保证referent的可达性呢？
一种方式，使用单独的线程轮询，并从队列中删除引用对象，然后对其进行处理。
另一种方式，在执行操作引用时进行检查(lazy)。
例如，使用弱引用实现弱键的哈希表，可以在每次访问时轮询其引用队列。这就是WeakHashMap类的工作原理。由于ReferenceQueue.poll方法只检查内部数据结构，因此，将为哈希表访问方法增加很少的开销。

引用是何时入队的?
收集器在将软引用和弱引用加入注册队列（如果有的话）之前，自动清除软引用和弱引用。因此，软引用和弱引用不需要注册到队列中才能发挥作用，而虚引用则需要注册队列。虚引用对象会保持可达，除非虚引用被清除或者虚引用对象本身不可达。

public static void main(String[] args) {
    ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
    PhantomReference phantomReference = // 如果不声明本地变量，在gc后将会入队
            new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);
    System.gc();
    System.out.println("Object in queue: " + referenceQueue.poll());
}

2 tryHandlePending

处理pending列表中的引用对象。
参考如下代码，可见处理过程中，体现了这样一点。discovered字段记录这pending列表中的下一个元素。

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继承了PhantomReference，用于一些清理工作
if (c != null) {
    c.clean();
    return true;
}

ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
// 有注册队列，未入队
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);

3 引用类型

当对象不属于上述四种可达方式时，成为不可达对象。不可达对象，需要进行回收。

软引用代码示例：

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

弱引用代码示例：

public static void main(String[] args) {
    Reference reference = new WeakReference(new Object());
    System.gc(); // 注释掉时，输出结果非null
    System.out.println("Object is: " + reference.get());
}

幻象引用代码示例：

public static void main(String[] args) {
    Reference reference = new PhantomReference(new Object(), null);
    System.gc(); // 无论是否注释掉，结果始终为null。因为重写了get方法
    System.out.println("Object is: " + reference.get());
}

问题

参考资料

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