JAVA 集合类（java.util）源码阅读笔记------WeakHashMap

Posted 2022-12-01 Itzel_yuki

一、继承关系

public class WeakHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V> 

继承自AbstractMap抽象类

实现Map接口

和HashMap不同的是没有实现clonebale接口和Serialize接口，因此没有clone方法，不可被序列化。

不是同步类，单线程操作。

ReferenceQueue中保存的都是gc时没有被引用的key的entry，此时entry内容没有变化，只是被标记为需要清理的对象，只有调用queue.poll对象后才会被gc回收。

WeakReference是“弱键”实现的哈希表。它这个“弱键”的目的就是：实现对“键值对”的动态回收。当“弱键”不再被使用到时，GC会回收它，WeakReference也会将“弱键”对应的键值对删除。

    “弱键”是一个“弱引用(WeakReference)”，在Java中，WeakReference和ReferenceQueue 是联合使用的。在WeakHashMap中亦是如此：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。 接着，WeakHashMap会根据“引用队列”，来删除“WeakHashMap中已被GC回收的‘弱键’对应的键值对”。

二、成员变量

private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默认初始容量，capacity必须是2的整数次幂
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默认加载因子

Entry<K,V>[] table;//存储entry多链表的数组，长度必须为2的整数次幂
private int size;//table中所有链表中entry的个数
private int threshold;//需要调整table大小的临界值，capacity * load factor
private final float loadFactor;//加载因子

//Reference queue for cleared WeakEntries 需要被删除的弱键的队列
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

private static final Object NULL_KEY = new Object();//null_key


int modCount;//修改次数，多线程操作可能会抛出ConcurrentModificationException异常。

三、构造方法

public WeakHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Initial Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load factor: "+
                                               loadFactor);
        int capacity = 1;
		//找出大于initcapacity的最小的2的整数次幂
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
		//初始化table,在构造方法中进行
        table = newTable(capacity);
        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
    
	@SuppressWarnings("unchecked")
    private Entry<K,V>[] newTable(int n) 
        return (Entry<K,V>[]) new Entry<?,?>[n];
    
	
	public WeakHashMap(int initialCapacity) 
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    
	
	 public WeakHashMap() 
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    
	
	public WeakHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) 
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                DEFAULT_INITIAL_CAPACITY),
             DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        putAll(m);
    

四、源码分析

package java.util;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class WeakHashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V> 

    // 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<K> queue = new ReferenceQueue<K>();

    // WeakHashMap被改变的次数
    private volatile int modCount;

    // 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 = new Entry[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.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    

    // 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, 16),
             DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        // 将m中的全部元素逐个添加到WeakHashMap中
        putAll(m);
    

    // 键为null的mask值。
    // 因为WeakReference中允许“null的key”，若直接插入“null的key”，将其当作弱引用时，会被删除。
    // 因此，这里对于“key为null”的清空，都统一替换为“key为NULL_KEY”，“NULL_KEY”是“静态的final常量”。
    private static final Object NULL_KEY = new Object();

    // 对“null的key”进行特殊处理
    private static Object maskNull(Object key) 
        return (key == null ? NULL_KEY : key);
    

    // 还原对“null的key”的特殊处理
    private static <K> K unmaskNull(Object key) 
        return (K) (key == NULL_KEY ? null : key);
    

    // 判断“x”和“y”是否相等
    static boolean eq(Object x, Object y) 
        return x == y || x.equals(y);
    

    // 返回索引值
    // h & (length-1)保证返回值的小于length
    static int indexFor(int h, int length) 
        return h & (length-1);
    

    // 清空table中无用键值对。原理如下：
    // (01) 当WeakHashMap中某个“弱引用的key”由于没有再被引用而被GC收回时，
    //   被回收的“该弱引用key”也被会被添加到"ReferenceQueue(queue)"中。
    // (02) 当我们执行expungeStaleEntries时，
    //   就遍历"ReferenceQueue(queue)"中的所有key
    //   然后就在“WeakReference的table”中删除与“ReferenceQueue(queue)中key”对应的键值对
    private void expungeStaleEntries() 
        Entry<K,V> e;
        while ( (e = (Entry<K,V>) queue.poll()) != null) 
            int h = e.hash;
            int i = indexFor(h, 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;
                    e.next = null;  // Help GC
                    e.value = null; //  "   "
                    size--;
                    break;
                
                prev = p;
                p = next;
            
        
    

    // 获取WeakHashMap的table(存放键值对的数组)
    private Entry[] getTable() 
        // 删除table中“已被GC回收的key对应的键值对”
        expungeStaleEntries();
        return table;
    

    // 获取WeakHashMap的实际大小
    public int size() 
        if (size == 0)
            return 0;
        // 删除table中“已被GC回收的key对应的键值对”
        expungeStaleEntries();
        return size;
    

    public boolean isEmpty() 
        return size() == 0;
    

    // 获取key对应的value
    public V get(Object key) 
        Object k = maskNull(key);
        // 获取key的hash值。
        int h = HashMap.hash(k.hashCode());
        Entry[] 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 = HashMap.hash(k.hashCode());
        Entry[] 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;
    

    // 将“key-value”添加到WeakHashMap中
    public V put(K key, V value) 
        K k = (K) maskNull(key);
        int h = HashMap.hash(k.hashCode());
        Entry[] tab = getTable();
        int i = indexFor(h, tab.length);

        for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) 
            // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
            if (h == e.hash && eq(k, e.get())) 
                V oldValue = e.value;
                if (value != oldValue)
                    e.value = value;
                return oldValue;
            
        

        // 若“该key”对应的键值对不存在于WeakHashMap中，则将“key-value”添加到table中
        modCount++;
        Entry<K,V> e = tab[i];
        tab[i] = new Entry<K,V>(k, value, queue, h, e);
        if (++size >= threshold)
            resize(tab.length * 2);
        return null;
    

    // 重新调整WeakHashMap的大小，newCapacity是调整后的单位
    void resize(int newCapacity) 
        Entry[] 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[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(oldTable, newTable);
        table = newTable;

		/*
         * If ignoring null elements and processing ref queue caused massive
         * shrinkage, then restore old table.  This should be rare, but avoids
         * unbounded expansion of garbage-filled tables.
         */
		 //如果size比threshold / 2小，则删除table中所有的弱引用，并且还要restore oldTable。
        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;
            
        
    

    // 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;
			//增加capacity
            while (newCapacity < targetCapacity)
                newCapacity <<= 1;
			//resize数组
            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());
    

    // 删除“键为key”元素
    public V remove(Object key) 
        Object k = maskNull(key);
        // 获取哈希值。
        int h = HashMap.hash(k.hashCode());
        Entry[] 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”
    Entry<K,V> removeMapping(Object o) 
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return null;
        Entry[] tab = getTable();
        Map.Entry entry = (Map.Entry)o;
        Object k = maskNull(entry.getKey());
        int h = HashMap.hash(k.hashCode());
        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 null;
    

    // 清空WeakHashMap，将所有的元素设为null
    public void clear() 
        while (queue.poll() != null)
            ;

        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
            tab[i] = null;
        size = 0;

        while (queue.poll() != null)
            ;
    

    // 是否包含“值为value”的元素
    public boolean containsValue(Object value) 
        // 若“value为null”，则调用containsNullValue()查找
        if (value==null)
            return containsNullValue();

        // 若“value不为null”，则查找WeakHashMap中是否有值为value的节点。
        Entry[] tab = getTable();
        for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
        return false;
    

    // 是否包含null值
    private boolean containsNullValue() 
        Entry[] tab = getTable();
        for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (e.value==null)
                    return true;
        return false;
    

    // Entry是单向链表。
    // 它是 “WeakHashMap链式存储法”对应的链表。
    // 它实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数
    private static class Entry<K,V> extends WeakReference<K> implements Map.Entry<K,V> 
        private V value;
        private final int hash;
        // 指向下一个节点
        private Entry<K,V> next;

        // 构造函数。创建一个弱引用节点，并将该节点加入
        Entry(K key, V value,
          ReferenceQueue<K> queue,
              int hash, Entry<K,V> next) 
            super(key, queue);
            this.value = value;
            this.hash  = hash;
            this.next  = next;
        

        public K getKey() 
            return WeakHashMap.<K>unmaskNull(get());
        

        public V getValue() 
            return value;
        

        public V setValue(V newValue) 
        V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        

        // 判断两个Entry是否相等
        // 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。
        // 否则，返回false
        public boolean equals(Object o) 
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry e = (Map.Entry)o;
            Object k1 = getKey();
            Object k2 = e.getKey();
            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) 
                Object v1 = getValue();
                Object v2 = e.getValue();
                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                    return true;
            
            return false;
        

        // 实现hashCode()
        public int hashCode() 
            Object k = getKey();
            Object v = getValue();
            return  ((k==null ? 0 : k.hashCode()) ^
                     (v==null ? 0 : v.hashCode()));
        

        public String toString() 
            return getKey() + "=" + getValue();
        
    

    // HashIterator是WeakHashMap迭代器的抽象出来的父类，实现了公共了函数。
    // 它包含“key迭代器(KeyIterator)”、“Value迭代器(ValueIterator)”和“Entry迭代器(EntryIterator)”3个子类。
    private abstract class HashIterator<T> implements Iterator<T> 
        // 当前索引
        int index;
        // 当前元素
        Entry<K,V> entry = null;
        // 上一次返回元素
        Entry<K,V> lastReturned = null;
        // expectedModCount用于实现fast-fail机制。
        int expectedModCount = modCount;

        // 下一个键(强引用)
        Object nextKey = null;

        // 当前键(强引用)
        Object currentKey = null;

        // 构造函数
        HashIterator() 
            index = (size() != 0 ? table.length : 0);
        

        // 是否存在下一个元素
        public boolean hasNext() 
            Entry[] t = table;

            // 一个Entry就是一个单向链表
            // 若该Entry的下一个节点不为空，就将next指向下一个节点;
            // 否则，将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
            while (nextKey == null) 
                Entry<K,V> e = entry;
                int i = index;
                while (e == null && i > 0)
                    e = t[--i];
                entry = e;
                index = i;
                if (e == null) 
                    currentKey = null;
                    return false;
                
                nextKey = e.get(); // hold on to key in strong ref
                if (nextKey == null)
                    entry = entry.next;
            
            return true;
        

        // 获取下一个元素
        protected Entry<K,V> nextEntry() 
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            if (nextKey == null && !hasNext())
                throw new NoSuchElementException();

            lastReturned = entry;
            entry = entry.next;
            currentKey = nextKey;
            nextKey = null;
            return lastReturned;
        

        // 删除当前元素
        public void remove() 
            if (lastReturned == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();

            WeakHashMap.this.remove(currentKey);
            expectedModCount = modCount;
            lastReturned = null;
            currentKey = null;
        

    

    // value的迭代器
    private class ValueIterator extends HashIterator<V> 
        public V next() 
            return nextEntry().value;
        
    

    // key的迭代器
    private class KeyIterator extends HashIterator<K> 
        public K next() 
            return nextEntry().getKey();
        
    

    // Entry的迭代器
    private class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> 
        public Map.Entry<K,V> next() 
            return nextEntry();
        
    

    // WeakHashMap的Entry对应的集合
    private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;

    // 返回“key的集合”，实际上返回一个“KeySet对象”
    public Set<K> keySet() 
        Set<K> ks = keySet;
        return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
    

    // Key对应的集合
    // KeySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的Key。
    private class KeySet extends AbstractSet<K> 
        public Iterator<K> iterator() 
            return new KeyIterator();
        

        public int size() 
            return WeakHashMap.this.size();
        

        public boolean contains(Object o) 
            return containsKey(o);
        

        public boolean remove(Object o) 
            if (containsKey(o)) 
                WeakHashMap.this.remove(o);
                return true;
            
            else
                return false;
        

        public void clear() 
            WeakHashMap.this.clear();
        
    

    // 返回“value集合”，实际上返回的是一个Values对象
    public Collection<V> values() 
        Collection<V> vs = values;
        return (vs != null ?  vs : (values = new Values()));
    

    // “value集合”
    // Values继承于AbstractCollection，不同于“KeySet继承于AbstractSet”，
    // Values中的元素能够重复。因为不同的key可以指向相同的value。
    private class Values extends AbstractCollection<V> 
        public Iterator<V> iterator() 
            return new ValueIterator();
        

        public int size() 
            return WeakHashMap.this.size();
        

        public boolean contains(Object o) 
            return containsValue(o);
        

        public void clear() 
            WeakHashMap.this.clear();
        
    

    // 返回“WeakHashMap的Entry集合”
    // 它实际是返回一个EntrySet对象
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() 
        Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
        return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
    

    // EntrySet对应的集合
    // EntrySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的EntrySet。
    private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> 
        public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() 
            return new EntryIterator();
        

        // 是否包含“值(o)”
        public boolean contains(Object o) 
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry e = (Map.Entry)o;
            Object k = e.getKey();
            Entry candidate = getEntry(e.getKey());
            return candidate != null && candidate.equals(e);
        

        // 删除“值(o)”
        public boolean remove(Object o) 
            return removeMapping(o) != null;
        

        // 返回WeakHashMap的大小
        public int size() 
            return WeakHashMap.this.size();
        

        // 清空WeakHashMap
        public void clear() 
            WeakHashMap.this.clear();
        

        // 拷贝函数。将WeakHashMap中的全部元素都拷贝到List中
        private List<Map.Entry<K,V>> deepCopy() 
            List<Map.Entry<K,V>> list = new ArrayList<Map.Entry<K,V>>(size());
            for (Map.Entry<K,V> e : this)
                list.add(new AbstractMap.SimpleEntry<K,V>(e));
            return list;
        

        // 返回Entry对应的Object[]数组
        public Object[] toArray() 
            return deepCopy().toArray();
        

        // 返回Entry对应的T[]数组(T[]我们新建数组时，定义的数组类型)
        public <T> T[] toArray(T[] a) 
            return deepCopy().toArray(a);