1 /*
2  * Copyright (c) 1997, 2018, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
3  * DO NOT ALTER OR REMOVE COPYRIGHT NOTICES OR THIS FILE HEADER.
4  *
5  * This code is free software; you can redistribute it and/or modify it
6  * under the terms of the GNU General Public License version 2 only, as
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8  * particular file as subject to the "Classpath" exception as provided
9  * by Oracle in the LICENSE file that accompanied this code.
10  *
11  * This code is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
12  * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
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14  * version 2 for more details (a copy is included in the LICENSE file that
15  * accompanied this code).
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU General Public License version
18  * 2 along with this work; if not, write to the Free Software Foundation,
19  * Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
20  *
21  * Please contact Oracle, 500 Oracle Parkway, Redwood Shores, CA 94065 USA
22  * or visit www.oracle.com if you need additional information or have any
23  * questions.
24  */

25
26 package java.lang.ref;
27
28 import jdk.internal.vm.annotation.ForceInline;
29 import jdk.internal.HotSpotIntrinsicCandidate;
30 import jdk.internal.misc.JavaLangRefAccess;
31 import jdk.internal.misc.SharedSecrets;
32 import jdk.internal.ref.Cleaner;
33
34 /**
35  * Abstract base class for reference objects.  This class defines the
36  * operations common to all reference objects.  Because reference objects are
37  * implemented in close cooperation with the garbage collector, this class may
38  * not be subclassed directly.
39  *
40  * @author   Mark Reinhold
41  * @since    1.2
42  */

43
44 public abstract class Reference<T> {
45
46     /* The state of a Reference object is characterized by two attributes.  It
47      * may be either "active""pending", or "inactive".  It may also be
48      * either "registered""enqueued""dequeued", or "unregistered".
49      *
50      *   Active: Subject to special treatment by the garbage collector.  Some
51      *   time after the collector detects that the reachability of the
52      *   referent has changed to the appropriate state, the collector
53      *   "notifies" the reference, changing the state to either "pending" or
54      *   "inactive".
55      *   referent != null; discovered = null, or in GC discovered list.
56      *
57      *   Pending: An element of the pending-Reference list, waiting to be
58      *   processed by the ReferenceHandler thread.  The pending-Reference
59      *   list is linked through the discovered fields of references in the
60      *   list.
61      *   referent = null; discovered = next element in pending-Reference list.
62      *
63      *   Inactive: Neither Active nor Pending.
64      *   referent = null.
65      *
66      *   Registered: Associated with a queue when created, and not yet added
67      *   to the queue.
68      *   queue = the associated queue.
69      *
70      *   Enqueued: Added to the associated queue, and not yet removed.
71      *   queue = ReferenceQueue.ENQUEUE; next = next entry in list, or this to
72      *   indicate end of list.
73      *
74      *   Dequeued: Added to the associated queue and then removed.
75      *   queue = ReferenceQueue.NULL; next = this.
76      *
77      *   Unregistered: Not associated with a queue when created.
78      *   queue = ReferenceQueue.NULL.
79      *
80      * The collector only needs to examine the referent field and the
81      * discovered field to determine whether a (non-FinalReference) Reference
82      * object needs special treatment.  If the referent is non-null and not
83      * known to be live, then it may need to be discovered for possible later
84      * notification.  But if the discovered field is non-null, then it has
85      * already been discovered.
86      *
87      * FinalReference (which exists to support finalization) differs from
88      * other references, because a FinalReference is not cleared when
89      * notified.  The referent being null or not cannot be used to distinguish
90      * between the active state and pending or inactive states.  However,
91      * FinalReferences do not support enqueue().  Instead, the next field of a
92      * FinalReference object is set to "this" when it is added to the
93      * pending-Reference list.  The use of "this" as the value of next in the
94      * enqueued and dequeued states maintains the non-active state.  An
95      * additional check that the next field is null is required to determine
96      * that a FinalReference object is active.
97      *
98      * Initial states:
99      *   [active/registered]
100      *   [active/unregistered] [1]
101      *
102      * Transitions:
103      *                            clear
104      *   [active/registered]     ------->   [inactive/registered]
105      *          |                                 |
106      *          |                                 | enqueue [2]
107      *          | GC              enqueue [2]     |
108      *          |                -----------------|
109      *          |                                 |
110      *          v                                 |
111      *   [pending/registered]    ---              v
112      *          |                   | ReferenceHandler
113      *          | enqueue [2]       |--->   [inactive/enqueued]
114      *          v                   |             |
115      *   [pending/enqueued]      ---              |
116      *          |                                 | poll/remove
117      *          | poll/remove                     |
118      *          |                                 |
119      *          v            ReferenceHandler     v
120      *   [pending/dequeued]      ------>    [inactive/dequeued]
121      *
122      *
123      *                           clear/enqueue/GC [3]
124      *   [active/unregistered]   ------
125      *          |                      |
126      *          | GC                   |
127      *          |                      |--> [inactive/unregistered]
128      *          v                      |
129      *   [pending/unregistered]  ------
130      *                           ReferenceHandler
131      *
132      * Terminal states:
133      *   [inactive/dequeued]
134      *   [inactive/unregistered]
135      *
136      * Unreachable states (because enqueue also clears):
137      *   [active/enqeued]
138      *   [active/dequeued]
139      *
140      * [1] Unregistered is not permitted for FinalReferences.
141      *
142      * [2] These transitions are not possible for FinalReferences, making
143      * [pending/enqueued] and [pending/dequeued] unreachable, and
144      * [inactive/registered] terminal.
145      *
146      * [3] The garbage collector may directly transition a Reference
147      * from [active/unregistered] to [inactive/unregistered],
148      * bypassing the pending-Reference list.
149      */

150
151     private T referent;         /* Treated specially by GC */
152
153     /* The queue this reference gets enqueued to by GC notification or by
154      * calling enqueue().
155      *
156      * When registered: the queue with which this reference is registered.
157      *        enqueued: ReferenceQueue.ENQUEUE
158      *        dequeued: ReferenceQueue.NULL
159      *    unregistered: ReferenceQueue.NULL
160      */

161     volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
162
163     /* The link in a ReferenceQueue's list of Reference objects.
164      *
165      * When registered: null
166      *        enqueued: next element in queue (or this if last)
167      *        dequeued: this (marking FinalReferences as inactive)
168      *    unregistered: null
169      */

170     @SuppressWarnings("rawtypes")
171     volatile Reference next;
172
173     /* Used by the garbage collector to accumulate Reference objects that need
174      * to be revisited in order to decide whether they should be notified.
175      * Also used as the link in the pending-Reference list.  The discovered
176      * field and the next field are distinct to allow the enqueue() method to
177      * be applied to a Reference object while it is either in the
178      * pending-Reference list or in the garbage collector's discovered set.
179      *
180      * When active: null or next element in a discovered reference list
181      *              maintained by the GC (or this if last)
182      *     pending: next element in the pending-Reference list (null if last)
183      *    inactive: null
184      */

185     private transient Reference<T> discovered;
186
187
188     /* High-priority thread to enqueue pending References
189      */

190     private static class ReferenceHandler extends Thread {
191
192         private static void ensureClassInitialized(Class<?> clazz) {
193             try {
194                 Class.forName(clazz.getName(), true, clazz.getClassLoader());
195             } catch (ClassNotFoundException e) {
196                 throw (Error) new NoClassDefFoundError(e.getMessage()).initCause(e);
197             }
198         }
199
200         static {
201             // pre-load and initialize Cleaner class so that we don't
202             // get into trouble later in the run loop if there's
203             // memory shortage while loading/initializing it lazily.
204             ensureClassInitialized(Cleaner.class);
205         }
206
207         ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {
208             super(g, null, name, 0, false);
209         }
210
211         public void run() {
212             while (true) {
213                 processPendingReferences();
214             }
215         }
216     }
217
218     /*
219      * Atomically get and clear (set to null) the VM's pending-Reference list.
220      */

221     private static native Reference<Object> getAndClearReferencePendingList();
222
223     /*
224      * Test whether the VM's pending-Reference list contains any entries.
225      */

226     private static native boolean hasReferencePendingList();
227
228     /*
229      * Wait until the VM's pending-Reference list may be non-null.
230      */

231     private static native void waitForReferencePendingList();
232
233     private static final Object processPendingLock = new Object();
234     private static boolean processPendingActive = false;
235
236     private static void processPendingReferences() {
237         // Only the singleton reference processing thread calls
238         // waitForReferencePendingList() and getAndClearReferencePendingList().
239         // These are separate operations to avoid a race with other threads
240         // that are calling waitForReferenceProcessing().
241         waitForReferencePendingList();
242         Reference<Object> pendingList;
243         synchronized (processPendingLock) {
244             pendingList = getAndClearReferencePendingList();
245             processPendingActive = true;
246         }
247         while (pendingList != null) {
248             Reference<Object> ref = pendingList;
249             pendingList = ref.discovered;
250             ref.discovered = null;
251
252             if (ref instanceof Cleaner) {
253                 ((Cleaner)ref).clean();
254                 // Notify any waiters that progress has been made.
255                 // This improves latency for nio.Bits waiters, which
256                 // are the only important ones.
257                 synchronized (processPendingLock) {
258                     processPendingLock.notifyAll();
259                 }
260             } else {
261                 ReferenceQueue<? super Object> q = ref.queue;
262                 if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(ref);
263             }
264         }
265         // Notify any waiters of completion of current round.
266         synchronized (processPendingLock) {
267             processPendingActive = false;
268             processPendingLock.notifyAll();
269         }
270     }
271
272     // Wait for progress in reference processing.
273     //
274     // Returns true after waiting (for notification from the reference
275     // processing thread) if either (1) the VM has any pending
276     // references, or (2) the reference processing thread is
277     // processing references. Otherwise, returns false immediately.
278     private static boolean waitForReferenceProcessing()
279         throws InterruptedException
280     {
281         synchronized (processPendingLock) {
282             if (processPendingActive || hasReferencePendingList()) {
283                 // Wait for progress, not necessarily completion.
284                 processPendingLock.wait();
285                 return true;
286             } else {
287                 return false;
288             }
289         }
290     }
291
292     static {
293         ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
294         for (ThreadGroup tgn = tg;
295              tgn != null;
296              tg = tgn, tgn = tg.getParent());
297         Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");
298         /* If there were a special system-only priority greater than
299          * MAX_PRIORITY, it would be used here
300          */

301         handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
302         handler.setDaemon(true);
303         handler.start();
304
305         // provide access in SharedSecrets
306         SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() {
307             @Override
308             public boolean waitForReferenceProcessing()
309                 throws InterruptedException
310             {
311                 return Reference.waitForReferenceProcessing();
312             }
313
314             @Override
315             public void runFinalization() {
316                 Finalizer.runFinalization();
317             }
318         });
319     }
320
321     /* -- Referent accessor and setters -- */
322
323     /**
324      * Returns this reference object's referent.  If this reference object has
325      * been cleared, either by the program or by the garbage collector, then
326      * this method returns <code>null</code>.
327      *
328      * @return   The object to which this reference refers, or
329      *           <code>null</code> if this reference object has been cleared
330      */

331     @HotSpotIntrinsicCandidate
332     public T get() {
333         return this.referent;
334     }
335
336     /**
337      * Clears this reference object.  Invoking this method will not cause this
338      * object to be enqueued.
339      *
340      * <p> This method is invoked only by Java code; when the garbage collector
341      * clears references it does so directly, without invoking this method.
342      */

343     public void clear() {
344         this.referent = null;
345     }
346
347     /* -- Queue operations -- */
348
349     /**
350      * Tells whether or not this reference object has been enqueued, either by
351      * the program or by the garbage collector.  If this reference object was
352      * not registered with a queue when it was created, then this method will
353      * always return <code>false</code>.
354      *
355      * @return   <code>true</code> if and only if this reference object has
356      *           been enqueued
357      */

358     public boolean isEnqueued() {
359         return (this.queue == ReferenceQueue.ENQUEUED);
360     }
361
362     /**
363      * Clears this reference object and adds it to the queue with which
364      * it is registered, if any.
365      *
366      * <p> This method is invoked only by Java code; when the garbage collector
367      * enqueues references it does so directly, without invoking this method.
368      *
369      * @return   <code>true</code> if this reference object was successfully
370      *           enqueued; <code>false</code> if it was already enqueued or if
371      *           it was not registered with a queue when it was created
372      */

373     public boolean enqueue() {
374         this.referent = null;
375         return this.queue.enqueue(this);
376     }
377
378     /**
379      * Throws {@link CloneNotSupportedException}. A {@code Reference} cannot be
380      * meaningfully cloned. Construct a new {@code Reference} instead.
381      *
382      * @returns never returns normally
383      * @throws  CloneNotSupportedException always
384      *
385      * @since 11
386      */

387     @Override
388     protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
389         throw new CloneNotSupportedException();
390     }
391
392     /* -- Constructors -- */
393
394     Reference(T referent) {
395         this(referent, null);
396     }
397
398     Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
399         this.referent = referent;
400         this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
401     }
402
403     /**
404      * Ensures that the object referenced by the given reference remains
405      * <a href="package-summary.html#reachability"><em>strongly reachable</em></a>,
406      * regardless of any prior actions of the program that might otherwise cause
407      * the object to become unreachable; thus, the referenced object is not
408      * reclaimable by garbage collection at least until after the invocation of
409      * this method.  Invocation of this method does not itself initiate garbage
410      * collection or finalization.
411      *
412      * <p> This method establishes an ordering for
413      * <a href="package-summary.html#reachability"><em>strong reachability</em></a>
414      * with respect to garbage collection.  It controls relations that are
415      * otherwise only implicit in a program -- the reachability conditions
416      * triggering garbage collection.  This method is designed for use in
417      * uncommon situations of premature finalization where using
418      * {@code synchronized} blocks or methods, or using other synchronization
419      * facilities are not possible or do not provide the desired control.  This
420      * method is applicable only when reclamation may have visible effects,
421      * which is possible for objects with finalizers (See
422      * <a href="https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-12.html#jls-12.6">
423      * Section 12.6 17 of <cite>The Java&trade; Language Specification</cite></a>)
424      * that are implemented in ways that rely on ordering control for correctness.
425      *
426      * @apiNote
427      * Finalization may occur whenever the virtual machine detects that no
428      * reference to an object will ever be stored in the heap: The garbage
429      * collector may reclaim an object even if the fields of that object are
430      * still in use, so long as the object has otherwise become unreachable.
431      * This may have surprising and undesirable effects in cases such as the
432      * following example in which the bookkeeping associated with a class is
433      * managed through array indices.  Here, method {@code action} uses a
434      * {@code reachabilityFence} to ensure that the {@code Resource} object is
435      * not reclaimed before bookkeeping on an associated
436      * {@code ExternalResource} has been performed; in particular here, to
437      * ensure that the array slot holding the {@code ExternalResource} is not
438      * nulled out in method {@link Object#finalize}, which may otherwise run
439      * concurrently.
440      *
441      * <pre> {@code
442      * class Resource {
443      *   private static ExternalResource[] externalResourceArray = ...
444      *
445      *   int myIndex;
446      *   Resource(...) {
447      *     myIndex = ...
448      *     externalResourceArray[myIndex] = ...;
449      *     ...
450      *   }
451      *   protected void finalize() {
452      *     externalResourceArray[myIndex] = null;
453      *     ...
454      *   }
455      *   public void action() {
456      *     try {
457      *       // ...
458      *       int i = myIndex;
459      *       Resource.update(externalResourceArray[i]);
460      *     } finally {
461      *       Reference.reachabilityFence(this);
462      *     }
463      *   }
464      *   private static void update(ExternalResource ext) {
465      *     ext.status = ...;
466      *   }
467      * }}</pre>
468      *
469      * Here, the invocation of {@code reachabilityFence} is nonintuitively
470      * placed <em>after</em> the call to {@code update}, to ensure that the
471      * array slot is not nulled out by {@link Object#finalize} before the
472      * update, even if the call to {@code action} was the last use of this
473      * object.  This might be the case iffor example a usage in a user program
474      * had the form {@code new Resource().action();} which retains no other
475      * reference to this {@code Resource}.  While probably overkill here,
476      * {@code reachabilityFence} is placed in a {@code finally} block to ensure
477      * that it is invoked across all paths in the method.  In a method with more
478      * complex control paths, you might need further precautions to ensure that
479      * {@code reachabilityFence} is encountered along all of them.
480      *
481      * <p> It is sometimes possible to better encapsulate use of
482      * {@code reachabilityFence}.  Continuing the above example, if it were
483      * acceptable for the call to method {@code update} to proceed even if the
484      * finalizer had already executed (nulling out slot), then you could
485      * localize use of {@code reachabilityFence}:
486      *
487      * <pre> {@code
488      * public void action2() {
489      *   // ...
490      *   Resource.update(getExternalResource());
491      * }
492      * private ExternalResource getExternalResource() {
493      *   ExternalResource ext = externalResourceArray[myIndex];
494      *   Reference.reachabilityFence(this);
495      *   return ext;
496      * }}</pre>
497      *
498      * <p> Method {@code reachabilityFence} is not required in constructions
499      * that themselves ensure reachability.  For example, because objects that
500      * are locked cannot, in general, be reclaimed, it would suffice if all
501      * accesses of the object, in all methods of class {@code Resource}
502      * (including {@code finalize}) were enclosed in {@code synchronized (this)}
503      * blocks.  (Further, such blocks must not include infinite loops, or
504      * themselves be unreachable, which fall into the corner case exceptions to
505      * the "in general" disclaimer.)  However, method {@code reachabilityFence}
506      * remains a better option in cases where this approach is not as efficient,
507      * desirable, or possible; for example because it would encounter deadlock.
508      *
509      * @param ref the reference. If {@code null}, this method has no effect.
510      * @since 9
511      */

512     @ForceInline
513     public static void reachabilityFence(Object ref) {
514         // Does nothing. This method is annotated with @ForceInline to eliminate
515         // most of the overhead that using @DontInline would cause with the
516         // HotSpot JVM, when this fence is used in a wide variety of situations.
517         // HotSpot JVM retains the ref and does not GC it before a call to
518         // this method, because the JIT-compilers do not have GC-only safepoints.
519     }
520 }
521