容器--WeakHashMap

Posted 2020-08-07 海上劳工

一、概述

　　WeakHashMap是Map的一种，根据其类的命令可以知道，它结合了WeakReference和HashMap的两种特点，从而构造出了一种Key可以自动回收的Map。

　　前面我们已经介绍了WeakReference的特点及实现原理，以及HashMap的实现原理，所以我们本文重点介绍WeakReference的在这类Map中的使用，以及其和原来的HashMap有什么不一样的地方。

二、实现原理分析

　　还是按之前的方式，我们从几个方面去分析Map的具体实现。

　　1. 初始化

　　WeakHashMap和普通的HashMap的初始化方式类似，可以指定初始容量和加载因子，若不指定则使用默认值，也可以用一个现有的Map来填充，如下：

      

　　

　　第一个构造函数的实现方式如下：

    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;

        //找到一个最合适的大小
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
        table = newTable(capacity);
        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
                (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
    }

　　从上面的实现来看没有什么特别的，就是根据参数来计算了实际的容量和阈值。

 

　　2. 添加元素

　　和前几篇一样，我们还是来看下put的实现：

 1 public V put(K key, V value) {
 2         Object k = maskNull(key);
 3         int h = hash(k);
 4         Entry<K,V>[] tab = getTable();
 5         int i = indexFor(h, tab.length);
 6 
 7         for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
 8             if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
 9                 V oldValue = e.value;
10                 if (value != oldValue)
11                     e.value = value;
12                 return oldValue;
13             }
14         }
15 
16         modCount++;
17         Entry<K,V> e = tab[i];
18         tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
19         if (++size >= threshold)
20             resize(tab.length * 2);
21         return null;
22     }  

这段代码大体上看来，和HashMap的实现是差不多的，为了更好的便于对于，我们把HashMap里的相关实现也贴出来：

 1 public V put(K key, V value) {
 2         if (table == EMPTY_TABLE) {
 3             inflateTable(threshold);
 4         }
 5         if (key == null)
 6             return putForNullKey(value);
 7         int hash = hash(key);
 8         int i = indexFor(hash, table.length);//table中的位置
 9         for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
10             Object k;
11 
12             //entry相同的条件 , hash相同 , key的引用相同,或者equals()
13             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
14                 V oldValue = e.value;
15                 e.value = value;
16                 e.recordAccess(this);
17                 return oldValue;
18             }
19         }
20 
21         modCount++;
22 
23         //新增
24         addEntry(hash, key, value, i);
25         return null;
26     }

 

接下来，我们先总结一下有哪些主要的区别，然后再详细分析WeakHashMap为什么要这样做。

通过对比代码，我们得知主要的区别如下：

1）WeakHashMap没有空表判断：这个很好理解，因为初始化时就已经创建了Entry数组，所以没必要判断空表

2）对key进行了maskNull封装：由于这个实现比较简单就不贴代码了，前面我们也介绍过maskNull的用法，主要用在那些原生的null表示不存在，但又需要支持null值的场合下，也就是说，用一个特殊的“null”，来代表对于空指针key的支持。因为WeakHashMap中的key是弱引用构造的，作为弱引用的引用对象，其自身是不能为null的。

3）没有直接使用table，而是使用了getTable(): 这个下面详细解释

4）使用了eq()来判断，且使用e.get()来获取key: 这个也好理解，弱引用对象就是通过get()方法来获取其所引用的对象，这里的key就是其引用对象。

5）在创建一个新的Entry时，多了一个queue的参数：这个queue的类型为ReferenceQueue类型，前面我们介绍过，这个是用于存储引用目标已经被回收的那些弱引用。

 

经过上面的分析，我们发现其它的都比较好懂，就是不清楚getTable()都做了些什么事，下面看一下其源码实现：

 1     private Entry<K,V>[] getTable() {
 2         expungeStaleEntries();
 3         return table;
 4     }
 5 
 6 
 7 /**
 8      * 根据英文的解释,移除陈旧的数据
 9      * 这个方法的具体实际其实比较简单,就是将遍历队列中的每一个元素,这个元素就是一个entry,
10      * 在内部数组中找到它,并将其移除,移除比较简单,就是将值置为空.
11      *
12      * 那么通过这个反推,queue里面存储的就是所有失效的key了.
13      * Expunges stale entries from the table.
14      */
15     private void expungeStaleEntries() {
16         for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
17             synchronized (queue) {
18                 @SuppressWarnings("unchecked")
19                 Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x;//it\'s a entry
20                 int i = indexFor(e.hash, table.length);
21 
22                 Entry<K,V> prev = table[i];
23                 Entry<K,V> p = prev;
24                 while (p != null) {
25                     Entry<K,V> next = p.next;
26                     if (p == e) {
27                         if (prev == e)
28                             table[i] = next;
29                         else
30                             prev.next = next;
31                         // Must not null out e.next;
32                         // stale entries may be in use by a HashIterator
33                         e.value = null; // Help GC
34                         size--;
35                         break;
36                     }
37                     prev = p;
38                     p = next;
39                 }
40             }
41         }
42     }

 

上面的代码是一个双重循环，看似复杂，但如果了解了queue的定义，我们理解起来也就方便了。前面提到queue里存储的是一些弱引用实例，它们共同的特点是其引用目标已经被垃圾回收器回收。

在这个大前提下，这段代码做了以下几件事：

1）依次取出queue中的所有元素进行处理直到queue为空

2）每个出队的元素都是map中的一个entity，所以可以根据其hash值找到对应的存储位置。

3）判断entity的位置，根据其是否为散列表的表头来决定怎么将其从列表中移除了，当然，由于其key已经被回收，所以只需将其value置为null即可。

4）处理完毕后，表示存储中少了一个entity，size-1

 

所以这个方法就是完成了对于WeakHashMap的自动回收元素的处理，如果不这样处理则仍然有内存泄露的风险，另外大小也就不准确了。这个方法是典型的对于弱引用失效队列的监控和处理，值得学习。

 

 3. 删除

删除的方法如下：

 1  public V remove(Object key) {
 2         Object k = maskNull(key);
 3         int h = hash(k);
 4         Entry<K,V>[] tab = getTable();
 5         int i = indexFor(h, tab.length);
 6         Entry<K,V> prev = tab[i];
 7         Entry<K,V> e = prev;
 8 
 9         while (e != null) {
10             Entry<K,V> next = e.next;
11             if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
12                 modCount++;
13                 size--;
14                 if (prev == e)
15                     tab[i] = next;
16                 else
17                     prev.next = next;
18                 return e.value;
19             }
20             prev = e;
21             e = next;
22         }
23 
24         return null;
25     }

可见删除方法的逻辑也跟之前的HashMap差不多，惟一变化的就是在table的获取上使用了getTable(), 而这个方法我们前面已经介绍了。

 

如果有兴趣，还可以再看下其它的处理方法，基本上所有的操作都会先执行getTable()，来对自动失效的key进行相应的清理。在此就不一一分析。

另外我们可以看到Entity实际上就是一个弱引用对象，其引用的目标为key, 代码截图如下：

 

至此，对于WeakHashMap的实现原理便一目了然了。

 

 

三、总结

 

　　WeakHashMap由于其弱引用的特点，使得其非常适合用于做缓存的存储结构，这样当缓存中的数据不再使用之后，垃圾回收器可以自动回收，从而实现不需要人工干预且能自动释放内存的效果。

　　同时，这也是一个学习如何使用弱引用的很好的例子。