目录
一. 前言
WeakHashMap，从名字可以看出它是某种 Map。它的特殊之处在于 WeakHashMap 里的entry可能会被GC自动删除，即使程序员没有调用remove()或者clear()方法。
更直观的说，当使用 WeakHashMap 时，即使没有显示的添加或删除任何元素，也可能发生如下情况：
1. 调用两次size()方法返回不同的值；
2. 两次调用isEmpty()方法，第一次返回false，第二次返回true；
3. 两次调用containsKey()方法，第一次返回true，第二次返回false，尽管两次使用的是同一个key；
4. 两次调用get()方法，第一次返回一个value，第二次返回null，尽管两次使用的是同一个对象。
遇到这么奇葩的现象，你是不是觉得使用者一定会疯掉？其实不然，WeakHashMap 的这个特点特别适用于需要缓存的场景。在缓存场景下，由于内存是有限的，不能缓存所有对象；对象缓存命中可以提高系统效率，但缓存MISS也不会造成错误，因为可以通过计算重新得到。
要明白 WeakHashMap 的工作原理，还需要引入一个概念：弱引用（WeakReference）。我们都知道Java中的内存是通过GC自动管理的，GC会在程序运行过程中自动判断哪些对象是可以被回收的，并在合适的时机进行内存释放。GC判断某个对象是否可被回收的依据是，是否有有效的引用指向该对象。如果没有有效引用指向该对象（基本意味着不存在访问该对象的方式），那么该对象就是可回收的。这里的有效引用并不包括弱引用。也就是说，虽然弱引用可以用来访问对象，但进行垃圾回收时弱引用并不会被考虑在内，仅有弱引用指向的对象仍然会被GC回收。
WeakHashMap 内部是通过弱引用来管理entry的，弱引用的特性对应到 WeakHashMap 上意味着什么呢？将一对key, value放入到 WeakHashMap 里并不能避免该key值被GC回收，除非在 WeakHashMap 之外还有对该key的强引用。
关于强引用，弱引用等概念请参见《Java 四种引用类型》。
二. 源码解析
如果你看过前几篇关于 Map 和 Set 的讲解，一定会问：既然有 WeakHashMap，是否有 WeekHashSet 呢？答案是没有。不过Java Collections工具类给出了解决方案，Collections.newSetFromMap(Map<E,Boolean> map) 方法可以将任何 Map包装成一个Set。通过如下方式可以快速得到一个 WeakHashSet：
// 将WeakHashMap包装成一个Set
Set<Object> weakHashSet = Collections.newSetFromMap(
new WeakHashMap<Object, Boolean>());
// Collections.newSetFromMap()用于将任何Map包装成一个Set
public static <E> Set<E> newSetFromMap(Map<E, Boolean> map) {
return new SetFromMap<>(map);
}
private static class SetFromMap<E> extends AbstractSet<E>
implements Set<E>, Serializable
{
private final Map<E, Boolean> m; // The backing map
private transient Set<E> s; // Its keySet
SetFromMap(Map<E, Boolean> map) {
if (!map.isEmpty())
throw new IllegalArgumentException("Map is non-empty");
m = map;
s = map.keySet();
}
public void clear() { m.clear(); }
public int size() { return m.size(); }
public boolean isEmpty() { return m.isEmpty(); }
public boolean contains(Object o) { return m.containsKey(o); }
public boolean remove(Object o) { return m.remove(o) != null; }
public boolean add(E e) { return m.put(e, Boolean.TRUE) == null; }
public Iterator<E> iterator() { return s.iterator(); }
public Object[] toArray() { return s.toArray(); }
public <T> T[] toArray(T[] a) { return s.toArray(a); }
public String toString() { return s.toString(); }
public int hashCode() { return s.hashCode(); }
public boolean equals(Object o) { return o == this || s.equals(o); }
public boolean containsAll(Collection<?> c) {return s.containsAll(c);}
public boolean removeAll(Collection<?> c) {return s.removeAll(c);}
public boolean retainAll(Collection<?> c) {return s.retainAll(c);}
// addAll is the only inherited implementation
// Override default methods in Collection
@Override
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
s.forEach(action);
}
@Override
public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
return s.removeIf(filter);
}
@Override
public Spliterator<E> spliterator() {return s.spliterator();}
@Override
public Stream<E> stream() {return s.stream();}
@Override
public Stream<E> parallelStream() {return s.parallelStream();}
private static final long serialVersionUID = 2454657854757543876L;
private void readObject(java.io.ObjectInputStream stream)
throws IOException, ClassNotFoundException
{
stream.defaultReadObject();
s = m.keySet();
}
}2.1. 类结构
从图中可以看出：WeakHashMap继承于AbstractMap，并且实现了Map接口。
2.2. 成员变量
// 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
// 最大容量（必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换）
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认加载因子
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 存储数据的Entry数组，长度是2的幂。
// WeakHashMap是采用拉链法实现的，每一个Entry本质上是一个单向链表
private Entry[] table;
// WeakHashMap的大小，它是WeakHashMap保存的键值对的数量
private int size;
// WeakHashMap的阈值，用于判断是否需要调整WeakHashMap的容量（threshold = 容量*加载因子）
private int threshold;
// 加载因子实际大小
private final float loadFactor;
// queue保存的是“已被GC清除”的“弱引用的键”。
// 弱引用和ReferenceQueue 是联合使用的：如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
// WeakHashMap被改变的次数
int modCount;2.3. 构造方法
// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
public WeakHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Initial Capacity: "+
initialCapacity);
// WeakHashMap的最大容量只能是MAXIMUM_CAPACITY
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load factor: "+
loadFactor);
// 找出“大于initialCapacity”的最小的2的幂
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
// 创建Entry数组，用来保存数据
table = newTable(capacity);
// 设置“加载因子”
this.loadFactor = loadFactor;
// 设置“WeakHashMap阈值”，当WeakHashMap中存储数据的数量达到threshold时，就需要将WeakHashMap的容量加倍。
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
}
// 指定“容量大小”的构造函数
public WeakHashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 默认构造函数。
public WeakHashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 包含“子Map”的构造函数
public WeakHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY),
DEFAULT_LOAD_FACTOR);
// 将m中的全部元素逐个添加到WeakHashMap中
putAll(m);
}
private Entry<K,V>[] newTable(int n) {
return (Entry<K,V>[]) new Entry<?,?>[n];
}2.4. Entry
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
V value;
final int hash;
Entry<K,V> next;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(Object key, V value,
ReferenceQueue<Object> queue,
int hash, Entry<K,V> next) {
super(key, queue);
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public K getKey() {
return (K) WeakHashMap.unmaskNull(get());
}
public V getValue() {
return value;
}
public V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
K k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
V v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public int hashCode() {
K k = getKey();
V v = getValue();
return Objects.hashCode(k) ^ Objects.hashCode(v);
}
public String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
}可以看到Entry是继承WeakReference的，我们结合WeakReference再看一下：
public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
/**
* Creates a new weak reference that refers to the given object. The new
* reference is not registered with any queue.
* 创建一个新的弱应用给传入的对象，这个新的引用不注册任何队列
*
* @param referent object the new weak reference will refer to
*/
public WeakReference(T referent) {
super(referent);
}
/**
* Creates a new weak reference that refers to the given object and is
* registered with the given queue.
* 创建一个新的弱应用给传入的对象，这个新的引用注册给一个给定的队列
*
* @param referent object the new weak reference will refer to
* @param q the queue with which the reference is to be registered,
* or <tt>null</tt> if registration is not required
*/
public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}
}我们发现在WeakHashMap中把key注册给了WeakReference，也就是说在WeakHashMap中key是一个弱引用。
2.5. 添加元素
public V put(K key, V value) {
// 如果key是null则给定一个空的对象进行修饰
Object k = maskNull(key);
// 计算key的hash
int h = hash(k);
// 获取table
Entry<K,V>[] tab = getTable();
// 根据hash找到数组下标
int i = indexFor(h, tab.length);
// 找到链表中元素位置
for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
V oldValue = e.value;
if (value != oldValue)
e.value = value;
return oldValue;
}
}
modCount++;
Entry<K,V> e = tab[i];
tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
if (++size >= threshold) // 是否达到阀值达到阀值就扩容
resize(tab.length * 2);
return null;
}
private Entry<K,V>[] getTable() {
expungeStaleEntries();
return table;
}
private void expungeStaleEntries() {
// 从 ReferenceQueue中拉取元素
for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
synchronized (queue) {
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x;
int i = indexFor(e.hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> p = prev;
while (p != null) {
Entry<K,V> next = p.next;
if (p == e) {
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
// Must not null out e.next;
// stale entries may be in use by a HashIterator
// 拿到entry的值赋值为null帮助GC
e.value = null; // Help GC
size--;
break;
}
prev = p;
p = next;
}
}
}
}expungeStaleEntries 就是WeakHashMap的核心了，它承担着Map中死对象的清理工作。原理就是依赖WeakReference和ReferenceQueue的特性。在每个WeakHashMap都有个ReferenceQueue queue，在Entry初始化的时候也会将queue传给WeakReference，这样当某个key可以失去所有强引用之后，其key对应的WeakReference对象会被放到queue里，有了queue就知道需要清理哪些Entry了。
这里也是整个WeakHashMap里唯一加了同步的地方。除了上文说的到resize中调用了expungeStaleEntries()，size()中也调用了这个清理方法。另外 getTable()也调了，这就意味着几乎所有其他方法都间接调用了清理。
// 将"m"的全部元素都添加到WeakHashMap中
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
int numKeysToBeAdded = m.size();
if (numKeysToBeAdded == 0)
return;
// 计算容量是否足够，
// 若“当前实际容量 < 需要的容量”，则将容量x2。
if (numKeysToBeAdded > threshold) {
int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int newCapacity = table.length;
while (newCapacity < targetCapacity)
newCapacity <<= 1;
if (newCapacity > table.length)
resize(newCapacity);
}
// 将“m”中的元素逐个添加到WeakHashMap中。
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
put(e.getKey(), e.getValue());
}2.6. 扩容
// 重新调整WeakHashMap的大小，newCapacity是调整后的单位
void resize(int newCapacity) {
Entry[K, V] oldTable = getTable();
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
// 新建一个newTable，将“旧的table”的全部元素添加到“新的newTable”中，
// 然后，将“新的newTable”赋值给“旧的table”。
Entry[K, V] newTable = new Table(newCapacity);
transfer(oldTable, newTable);
table = newTable;
if (size >= threshold / 2) {
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
} else {
// 删除table中“已被GC回收的key对应的键值对”
expungeStaleEntries();
transfer(newTable, oldTable);
table = oldTable;
}
}
// 将WeakHashMap中的全部元素都添加到newTable中
private void transfer(Entry[] src, Entry[] dest) {
for (int j = 0; j < src.length; ++j) {
Entry<K,V> e = src[j];
src[j] = null;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object key = e.get();
if (key == null) {
e.next = null; // Help GC
e.value = null; // " "
size--;
} else {
int i = indexFor(e.hash, dest.length);
e.next = dest[i];
dest[i] = e;
}
e = next;
}
}
}
2.7. 删除元素
// 删除“键为key”元素
public V remove(Object key) {
Object k = maskNull(key);
// 获取哈希值。
int h = hash(k);
Entry<K, V>[] tab = getTable();
int i = indexFor(h, tab.length);
Entry<K,V> prev = tab[i];
Entry<K,V> e = prev;
// 删除链表中“键为key”的元素
// 本质是“删除单向链表中的节点”
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
tab[i] = next;
else
prev.next = next;
return e.value;
}
prev = e;
e = next;
}
return null;
}
// 删除“键值对”
boolean removeMapping(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Entry<K,V>[] tab = getTable();
Map.Entry<?,?> entry = (Map.Entry<?,?>)o;
Object k = maskNull(entry.getKey());
int h = hash(k);
int i = indexFor(h, tab.length);
Entry<K,V> prev = tab[i];
Entry<K,V> e = prev;
// 删除链表中的“键值对e”
// 本质是“删除单向链表中的节点”
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (h == e.hash && e.equals(entry)) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
tab[i] = next;
else
prev.next = next;
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return false;
}
// 清空WeakHashMap，将所有的元素设为null
public void clear() {
while (queue.poll() != null)
;
modCount++;
Arrays.fill(table, null);
size = 0;
while (queue.poll() != null)
;
}2.8. 获取元素
// 获取key对应的value
public V get(Object key) {
Object k = maskNull(key);
// 获取key的hash值。
int h = hash(k);
Entry<K,V>[] tab = getTable();
int index = indexFor(h, tab.length);
Entry<K,V> e = tab[index];
// 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
while (e != null) {
if (e.hash == h && eq(k, e.get()))
return e.value;
e = e.next;
}
return null;
}
// WeakHashMap是否包含key
public boolean containsKey(Object key) {
return getEntry(key) != null;
}
// 返回“键为key”的键值对
Entry<K,V> getEntry(Object key) {
Object k = maskNull(key);
int h = hash(k);
Entry<K,V>[] tab = getTable();
int index = indexFor(h, tab.length);
Entry<K,V> e = tab[index];
while (e != null && !(e.hash == h && eq(k, e.get())))
e = e.next;
return e;
}
扫一扫
314
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
