[Java] 참조 타입(Reference Type) : Strong Reference, Soft Reference, Weak Reference, Phantom Reference

출처

ChatGPT

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자바에서는 다양한 참조 타입을 제공해, 메모리 관리와 가비지 컬렉션(GC)을 더 세밀하게 제어할 수 있게 한다. 각각의 참조 타입은 객체의 생명 주기와 메모리 수집 전략을 다르게 관리하도록 돕는다. 자바는 강한 참조(Strong Reference)외에도 약한 참조(Weak Reference), 부드러운 참조(Soft Reference) 그리고 유령 참조(Phantom Reference)를 제공한다. 이러한 참조 타입들은 가비지 컬렉션의 특성과 객체의 생명 주기를 명시적으로 관리하기 위해 사용된다.

 

1. 참조 타입(Reference Types) 설명

1.1 강한 참조 Strong Reference

강한 참조는 자바의 기본 참조 타입으로, 객체를 생성하고 변수에 할당하는 일반적인 방법이다.

기능

강한 참조가 존재하는 한, 가비지 컬렉터는 해당 객체를 수집하지 않는다. 즉, 프로그램의 실행 경로에서 객체에 도달할 수 있으면 해당 객체는 메모리에서 제거되지 않는다.

예시

Object obj = new Object();  // 'obj'는 강한 참조를 통해 생성된 객체를 참조합니다.

 

사용 상황

대부분의 경우, 개발자는 객체를 강한 참조로 사용한다. 강한 참조는 객체가 더 이상 필요하지 않을 때가지 객체를 메모리에 유지한다.

1.2 부드러운 참조(Soft Reference)

부드러운 참조는 객체에 강한 참조가 없고, 메모리가 부족할 때만 GC에 의해 수집되는 참조 타입이다.

기능

JVM은 메모리가 부족할 때만 부드러운 참조가 있는 객체를 수집한다. 이 타입의 참조는 GC가 메모리 부족 상태에서만 수집하므로, 객체를 가능한 한 오래 유지하고 싶을 때 유용하다.

예시

import java.lang.ref.SoftReference;

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());
// softRef는 부드러운 참조입니다. 메모리가 부족할 때만 수집됩니다.

 

사용 상황

캐시와 같은 메커니즘에서 유용하다. 예를 들어, 자주 사용하는 객체를 캐시에 저장하고, 메모리가 부족해질 때 GC가 캐시를 정리하도록 하려는 경우에 사용된다.

 

1.3 약한 참조 Weak Reference

약한 참조는 객체애 대한 강한 참조가 없으면, 즉시 GC에 의해 수집될 수 있는 참조 타입이다.

기능

약한 참조로 참조된 객체는 강한 참조가 없는 경우 GC의 다음 사이클에서 수집된다. 따라서 객체가 더 이상 필요하지 않을때 메모리 누수를 방지할 수 있다.

예시

import java.lang.ref.WeakReference;

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());
// weakRef는 약한 참조입니다. 강한 참조가 없으면 즉시 수집될 수 있습니다.

 

사용 상황

WekaHashMap과 같은 데이터 구조에서 키가 약한 참조로 유지되어, 해당 키에 대한 강한 참조가 없으면 자동으로 엔트리가 제거된다. 예를 들어, 캐시나 리소스 관리에서 키의 수명이 짧거나 임시적이 경우에 사용한다.

 

1.4 유령 참조 Phantom Reference

유령 참조는 객체가 GC에 의해 수집된 후에도 존재하는 특수한 참조 타입이다. 객체의 메모리가 실제로 해제되기 전에 추가 작업을 수행하는 데 사용된다.

기능

유령 참조는 객체가 메모리에서 완전히 해제되기 전에 수행해야 하는 정리(clean-up) 작업을 가능하게 한다. 유령 참조는 ReferenceQueue와 함께 사용되며, 객체의 메모리 해제가 임박한 시점에서 알림을 받을 숭 ㅣㅆ다.

예시

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

Object obj = new Object();
ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, refQueue);
// phantomRef는 유령 참조입니다. 객체가 GC되기 전에 알림을 받을 수 있습니다.
obj = null;  // 이후 GC가 obj를 수거해도 phantomRef는 참조 큐에 들어가며 처리됩니다.

 

사용 상황

네이트브 리소스 관리(예: 파일 핸들, 소켓 등)에서 사용되며, 객체가 수거되기 전에 리소스를 해제해야 할 대 유용하다. 또한, 복잡한 메모리 관리와 관련된 고급 사용 사례에서도 유령 참조를 사용하여 정리 작업을 수행할 수 있다.

 

2. 개발자가 명시적으로 참조 타입을 사용하는 상황

2.1 캐시 구현에서의 사용

부드러운 참조(Soft Reference)와 약한 참조(Weak Reference)는 캐시 구현에 유용하다. 캐시는 자주 사용하는 데이터를 메모리에 저장햐 성능을 향상시키기 위해 사용된다. 하지만,메모리 누수를 방지하기위해 메모리가 부족할 대 캐시된 데이터를 자동으로 정리할 수 있어야 한다.

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class CacheExample {
    private Map<String, SoftReference<Object>> cache = new HashMap<>();

    public void addToCache(String key, Object value) {
        cache.put(key, new SoftReference<>(value));
    }

    public Object getFromCache(String key) {
        SoftReference<Object> ref = cache.get(key);
        if (ref != null) {
            return ref.get();  // 부드러운 참조를 통해 객체를 반환
        }
        return null;
    }
}

 

위의 예제에서, SoftReference를 사용햐 캐시된 데이터가 메모리 부족 시 자동으로 GC에 의해 정리될 수 있도록 한다.

 

2.2 리소스 관리에서의 사용

유령 참조(Phantom Reference)는 리소스 관리에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 파일 핸들이나 네트워크 소켓과 같은 리소스를 사용하는 객체는 GC에 의해 수집되기 전에 반드시 리소스를 해제해야 한다.

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class ResourceCleaner {
    private static class Resource {
        // 리소스를 사용하는 객체
    }

    private static class CleanupTask extends PhantomReference<Resource> {
        public CleanupTask(Resource referent, ReferenceQueue<? super Resource> q) {
            super(referent, q);
        }

        public void cleanup() {
            System.out.println("Cleaning up resources...");
            // 리소스 해제 작업 수행
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<Resource> refQueue = new ReferenceQueue<>();
        Resource resource = new Resource();
        CleanupTask cleanupTask = new CleanupTask(resource, refQueue);

        resource = null;  // 강한 참조 해제

        System.gc();  // GC 강제 실행

        // 참조 큐에서 유령 참조를 확인하고, 정리 작업 수행
        CleanupTask polledTask = (CleanupTask) refQueue.poll();
        if (polledTask != null) {
            polledTask.cleanup();
        }
    }
}

 

위의 예제에서 PhantomReference는 ReferenceQueue와 함께 사용되어, 객체가 GC에 의해 수집되기 직전에 정리 작업을 수행할 수 있도록 한다.

 

3. 결론

자바의 다양한 참조 타입은 개발자가 메모리 관리 및 가비지 컬렉션을 세밀하게 제어할 수 있도록 돕는다. 각 참조 타입은 객체의 수명 관리에 잇어 고유한 용도와 이점을 제공하며, 개발자는 프로그램의 요구 사항에 맞게 적절한 참조 타입을 선택해 메모리 효율성과 안정성을 극대화할 수 있다. SoftReference, WeakReference, 그리고 PhantomReference는 메모리 누수 방지 캐시 관리, 리소스 정리 등 다양한 시나리오에서 활용될 수 있다.