Java中WeakHashMap的工作原理詳解
從名字可以得知主要和Map有關(guān),不過(guò)還有一個(gè)Weak,我們就更能自然而然的想到這里面還牽扯到一種弱引用結(jié)構(gòu),因此想要徹底搞懂,我們還需要知道四種引用,需要的朋友可以參考下
一、什么是 WeakHashMap？
從名字可以得知主要和Map有關(guān)，不過(guò)還有一個(gè)Weak，我們就更能自然而然的想到這里面還牽扯到一種弱引用結(jié)構(gòu)，因此想要徹底搞懂，我們還需要知道四種引用。
強(qiáng)引用： 如果一個(gè)對(duì)象具有強(qiáng)引用，它就不會(huì)被垃圾回收器回收。即使當(dāng)前內(nèi)存空間不足，JVM也不會(huì)回收它，而是拋出 OutOfMemoryError 錯(cuò)誤，使程序異常終止。 比如 String str = "hello" 這時(shí)候str就是一個(gè)強(qiáng)引用。
軟引用： 內(nèi)存足夠的時(shí)候，軟引用對(duì)象不會(huì)被回收，只有在內(nèi)存不足時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)回收軟引用對(duì)象，如果回收了軟引用對(duì)象之后仍然沒(méi)有足夠的內(nèi)存，才會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常。
弱引用： 如果一個(gè)對(duì)象具有弱引用，在垃圾回收時(shí)候，一旦發(fā)現(xiàn)弱引用對(duì)象，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存空間是否充足，都會(huì)將弱引用回收。
虛引用： 如果一個(gè)對(duì)象具有虛引用，就相當(dāng)于沒(méi)有引用，在任何時(shí)候都有可能被回收。 使用虛引用的目的就是為了得知對(duì)象被GC的時(shí)機(jī)，所以可以利用虛引用來(lái)進(jìn)行銷(xiāo)毀前的一些操作，比如說(shuō)資源釋放等。
WeakHashMap是基于弱引用的，也就是說(shuō)只要垃圾回收機(jī)制一開(kāi)啟，就直接開(kāi)始了掃蕩，看見(jiàn)了就清除
二、為什么需要 WeakHashMap？
WeakHashMap正是由于使用的是弱引用，因此它的對(duì)象可能被隨時(shí)回收。
更直觀的說(shuō)，當(dāng)使用 WeakHashMap 時(shí)，即使沒(méi)有刪除任何元素，它的尺寸、get方法也可能不一樣。
比如：
（1）調(diào)用兩次 size() 方法返回不同的值；第一次為10，第二次就為8了。
（2）兩次調(diào)用 isEmpty() 方法，第一次返回false，第二次返回true；
（3）兩次調(diào)用 containsKey() 方法，第一次返回true，第二次返回false；
（4）兩次調(diào)用 get() 方法，第一次返回一個(gè)value，第二次返回null；
是不是覺(jué)得有點(diǎn)惡心，這種飄忽不定的東西好像沒(méi)什么用，試想一下，你準(zhǔn)備使用WeakHashMap保存一些數(shù)據(jù)，寫(xiě)著寫(xiě)著都沒(méi)了，那還保存?zhèn)€啥呀。
不過(guò)有一種場(chǎng)景，最喜歡這種飄忽不定、一言不合就刪除的東西。
那就是緩存，在緩存場(chǎng)景下，由于內(nèi)存是有限的，不能緩存所有對(duì)象，因此就需要一定的刪除機(jī)制，淘汰掉一些對(duì)象
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了WeakHashMap是基于弱引用，其對(duì)象可能隨時(shí)被回收，適用于緩存的場(chǎng)景。
三、WeakHashMap 的例子
public class TestWeakHashMap {
public static void main(String[] args) {
WeakHashMap<String, String> weakHashMap = new WeakHashMap<>(10);
String key0 = new String("str1");
String key1 = new String("str2");
String key2 = new String("str3");
// 存放元素
weakHashMap.put(key0, "data1");
weakHashMap.put(key1, "data2");
weakHashMap.put(key2, "data3");
System.out.printf("weakHashMap: %s\n", weakHashMap);
// 是否包含某key
System.out.printf("contains key str1 : %s\n", weakHashMap.containsKey(key0));
System.out.printf("contains key str2 : %s\n", weakHashMap.containsKey(key1));
// 移除key
weakHashMap.remove(key0);
System.out.printf("weakHashMap after remove: %s", weakHashMap);
// 這意味著"弱鍵"key1再?zèng)]有被其它對(duì)象引用，調(diào)用gc時(shí)會(huì)回收WeakHashMap中與key1對(duì)應(yīng)的鍵值對(duì)
key1 = null;
// 內(nèi)存回收，這里會(huì)回收WeakHashMap中與"key0"對(duì)應(yīng)的鍵值對(duì)
System.gc();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 遍歷WeakHashMap
for (Map.Entry<String, String> m : weakHashMap.entrySet()) {
System.out.printf("next : %s >>> %s\n", m.getKey(), m.getValue());
}
// 打印WeakHashMap的實(shí)際大小
System.out.printf("after gc WeakHashMap size: %s\n", weakHashMap.size());
}
}
上面的例子展示了WeakHashMap的增刪改查，以及弱鍵的回收，可以看到把Key的引用置為null， gc后，會(huì)將該鍵值對(duì)回收。
四、WeakHashMap 的使用場(chǎng)景
一般用做緩存，比如Tomcat的源碼里，實(shí)現(xiàn)緩存時(shí)會(huì)用到WeakHashMap， 在緩存系統(tǒng)中，使用WeakHashMap可以避免內(nèi)存泄漏，但是使用WeakHashMap做緩存時(shí)要注意，如果只有它的key只有WeakHashMap本身在用，而在WeakHashMap之外沒(méi)有對(duì)該key的強(qiáng)引用，那么GC時(shí)會(huì)回收這個(gè)key對(duì)應(yīng)的entry。
所以WeakHashMap不能用做主緩存，合適的用法應(yīng)該是用它做二級(jí)的內(nèi)存緩存，即那么過(guò)期緩存數(shù)據(jù)或者低頻緩存數(shù)據(jù)
public final class ConcurrentCache<K,V> {
private final int size;
private final Map<K,V> eden;
private final Map<K,V> longterm;
public ConcurrentCache(int size) {
this.size = size;
this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
}
public V get(K k) {
V v = this.eden.get(k);
if (v == null) {
synchronized (longterm) {
v = this.longterm.get(k);
}
if (v != null) {
this.eden.put(k, v);
}
}
return v;
}
public void put(K k, V v) {
if (this.eden.size() >= size) {
synchronized (longterm) {
this.longterm.putAll(this.eden);
}
this.eden.clear();
}
this.eden.put(k, v);
}
}源碼中有eden和longterm的兩個(gè)map，對(duì)jvm堆區(qū)有所了解的話，可以猜測(cè)出tomcat在這里是使用ConcurrentHashMap和WeakHashMap做了分代的緩存。
在put方法里，在插入一個(gè)k-v時(shí)，先檢查eden緩存的容量是不是超了。
沒(méi)有超就直接放入eden緩存，如果超了則鎖定longterm將eden中所有的k-v都放入longterm。
再將eden清空并插入k-v。
在get方法中，也是優(yōu)先從eden中找對(duì)應(yīng)的v，如果沒(méi)有則進(jìn)入longterm緩存中查找，找到后就加入eden緩存并返回。
經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，相對(duì)常用的對(duì)象都能在eden緩存中找到，不常用（有可能被銷(xiāo)毀的對(duì)象）的則進(jìn)入longterm緩存。
而longterm的key的實(shí)際對(duì)象沒(méi)有其他引用指向它時(shí)，gc就會(huì)自動(dòng)回收heap中該弱引用指向的實(shí)際對(duì)象，弱引用進(jìn)入引用隊(duì)列。
longterm調(diào)用expungeStaleEntries()方法，遍歷引用隊(duì)列中的弱引用，并清除對(duì)應(yīng)的Entry，不會(huì)造成內(nèi)存空間的浪費(fèi)。
五、WeakHashMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1. 類(lèi)的定義
public class WeakHashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V> {
}2. 常量與變量
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
Entry<K,V>[] table;
private int size;
private int threshold;
private final float loadFactor;
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
int modCount;- DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : 初始容量
- MAXIMUM_CAPACITY : 最大容量
- DEFAULT_LOAD_FACTOR : 默認(rèn)加載因子
- table : Entry數(shù)組
- size : 實(shí)際存放的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)
- threshold : 擴(kuò)容閾值
- loadFactor : 加載因子
- queue : 引用隊(duì)列
- modCount ： 修改次數(shù)
3. Entry 類(lèi)
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
V value;
final int hash;
Entry<K,V> next;
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;
}
...
}可以看到 Entry 類(lèi)實(shí)現(xiàn)了 Map.Entry 接口，繼承弱引用 (WeakReference)，屬性有 key，value 和 next 引用。
構(gòu)造器中需要傳入一個(gè)引用隊(duì)列，方法主要看getKey():
return (K) WeakHashMap.unmaskNull(get());
再來(lái)看看 WeakHashMap 的靜態(tài)方法 unmaskNull():
private static final Object NULL_KEY = new Object();
static Object unmaskNull(Object key) {
return (key == NULL_KEY) ? null : key;
}判斷key是否等于NULL_KEY來(lái)選擇是否返回null。
4. 類(lèi)關(guān)系圖
六、WeakHashMap 的弱鍵回收
上面看完 WeakHashMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么 WeakHashMap 是如何實(shí)現(xiàn)弱鍵回收的呢？
其實(shí)根據(jù)前面的文章也能猜到，利用Reference和ReferenceQueue。
1. put 數(shù)據(jù)
public V put(K key, V value) {
Object k = maskNull(key);
int h = hash(k);
Entry<K,V>[] tab = getTable();
int i = indexFor(h, tab.length);
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)
resize(tab.length * 2);
return null;
}
private static Object maskNull(Object key) {
return (key == null) ? NULL_KEY : key;
}判斷key是否為null，為null的話將key賦值為NULL_KEY。 計(jì)算key的hash值，然后根據(jù)hash值查找待插入的位置。
遍歷Entry數(shù)組，看該鍵是否已存在，存在的話則替換舊值，并返回舊值。 不存在則構(gòu)建Entry對(duì)象存入數(shù)組。
這個(gè)流程和HashMap，HashTable等差不多。
2. get 數(shù)據(jù)
public V get(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) {
if (e.hash == h && eq(k, e.get()))
return e.value;
e = e.next;
}
return null;
}一句話，先根據(jù)key的hash值找到索引位置，然后拿到Entry對(duì)象，再判斷該Entry是否存在下一個(gè)引用(即hash碰撞)，遍歷該單鏈表，比較value值。
3. 弱鍵如何回收？
根據(jù)上面的分析就很容易得出了，WeakHashMap內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是用Entry[]數(shù)組，即鍵值對(duì)數(shù)組。
Entry類(lèi)繼承于WeakReferece(弱引用)，
弱引用的特點(diǎn)再重申下：當(dāng) JVM 進(jìn)行垃圾回收時(shí)，無(wú)論內(nèi)存是否充足，都會(huì)回收被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象。
在構(gòu)造一個(gè)Entry對(duì)象的時(shí)候，會(huì)傳入一個(gè)ReferenceQueue，key為弱引用包裹的對(duì)象：
public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
super(referent, q);
}再來(lái)看看WeakHashMap如何清理已經(jīng)被回收的key的，被回收的key會(huì)存放在引用隊(duì)列中：
private void expungeStaleEntries() {
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
e.value = null; // Help GC
size--;
break;
}
prev = p;
p = next;
}
}
}
}遍歷引用隊(duì)列，然后刪除已被回收的鍵值對(duì)(從數(shù)組移除，改變單鏈表結(jié)點(diǎn)引用，將value賦值為null)，該方法會(huì)在WeakHashMap增刪改查、擴(kuò)容的地方調(diào)用。
因?yàn)橐粋€(gè)key-value存放到WeakHashMap中后，key會(huì)被用弱引用包起來(lái)存儲(chǔ)，如果這個(gè)key在WeakHashMap外部沒(méi)有強(qiáng)引用的話，GC時(shí)將被回收，然后WeakHashMap根據(jù)引用隊(duì)列對(duì)已回收的key做清理。
到此這篇關(guān)于Java中WeakHashMap的工作原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)WeakHashMap工作原理內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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