Java中的WeakHashMap实现分析

在Java集合中有一种特殊的Map类型:WeakHashMap。 WeakHashMap 继承于AbstractMap,实现了Map接口。 和HashMap一样,WeakHashMap 也是一个散列表,它存储的内容也是键值对(key-value)映射,而且键和值都可以是null。 不过WeakHashMap的键是“弱键”,里面存放了键对象的弱引用,当某个键不再正常使用时,会从WeakHashMap中被自动移除。当一个键对象被垃圾回收,那么相应的值对象的引用会从Map中删除。WeakHashMap能够节约存储空间,可用来缓存那些非必须存在的数据。

那么这个“弱键”的原理呢?大致上是通过WeakReference和ReferenceQueue实现的。 WeakHashMap的key是“弱键”,即是WeakReference类型的;ReferenceQueue是一个队列,它会保存被GC回收的“弱键”。实现步骤是: (01) 新建WeakHashMap,将“键值对”添加到WeakHashMap中。实际上,WeakHashMap是通过数组table保存Entry(键值对);每一个Entry实际上是一个单向链表,即Entry是键值对链表。 (02) 当某“弱键”不再被其它对象引用,并被GC回收时。在GC回收该“弱键”时,这个“弱键”也同时会被添加到ReferenceQueue(queue)队列中。 (03) 当下一次我们需要操作WeakHashMap时,会先同步table和queue。table中保存了全部的键值对,而queue中保存被GC回收的键值对;同步它们,就是删除table中被GC回收的键值对。 这就是“弱键”如何被自动从WeakHashMap中删除的步骤了。 和HashMap一样,WeakHashMap是不同步的。可以使用 Collections.synchronizedMap 方法来构造同步的 WeakHashMap。

WeakHashMap源码分析,WeakHashMap维护了一个ReferenceQueue,保存了所有存在引用的Key对象。WeakHashMap.Entry<K,V>中并没有保存Key,只是将Key与ReferenceQueue关联上了。

private final ReferenceQueue<K> queue = new ReferenceQueue<K>();
// 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。
	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;
	}
	...
}

WeakHashMap中有一个私有的expungeStaleEntries()方法,会在大部分共有方法中被调用。这个方法会将ReferenceQueue中所有失效的引用从Map中去除。

// 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;
		}
	}
}

需要注意,WeakHashMap的Key是弱引用,Value不是。WeakHashMap不会自动释放失效的弱引用,仅当包含了expungeStaleEntries()的共有方法被调用的时候才会释放。

一个简单的例子:

public static void main(String args[]) {
	WeakHashMap<String, String> map = new WeakHashMap<String, String>();
	map.put(new String("1"), "1");
	map.put("2", "2");
	String s = new String("3");
	map.put(s, "3");
	while (map.size() > 0) {
		try {
			Thread.sleep(500);
		} catch (InterruptedException ignored) {
		}
		System.out.println("Map Size:" + map.size());
		System.out.println(map.get("1"));
		System.out.println(map.get("2"));
		System.out.println(map.get("3"));
		System.gc();
	}
}

运行结果(一直循环当中):

Map Size:3 1

2

3

Map Size:2

null

2

3

 

根据String的特性,

元素“1”的key已经没有地方引用了,所以进行了回收。

元素“2”是被放在常量池中的,所以没有被回收。

元素“3”因为还有变量s的引用,所以也没有进行回收。

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