转载

[学习笔记-Java集合-6] WeakHashMap源码分析

介绍

WeakHashMap是一种弱引用map，内部的key会存储为弱引用，当jvm gc的时候，如果这些key没有强引用存在的话，会被gc回收掉，下一次当我们操作map的时候会把对应的Entry整个删除掉，基于这种特性，WeakHashMap特别适用于缓存处理。

继承体系

[学习笔记-Java集合-6] WeakHashMap源码分析

WeakHashMap没有实现Clone和Serializable接口，所以不具有克隆和序列化的特性。

存储结构

WeakHashMap因为gc的时候会把没有强引用的key回收掉，所以注定了它里面的元素不会太多，因此也就不需要像HashMap那样元素多的时候转化为红黑树来处理了。

因此，WeakHashMap的存储结构只有（数组 + 链表）。

源码解析

属性

/**
 * 默认初始容量为16
 */
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

/**
 * 最大容量为2的30次方
 */
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * 默认装载因子
 */
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * 桶
 */
Entry<K,V>[] table;

/**
 * 元素个数
 */
private int size;

/**
 * 扩容门槛，等于capacity * loadFactor
 */
private int threshold;

/**
 * 装载因子
 */
private final float loadFactor;

/**
 * 引用队列，当弱键失效的时候会把Entry添加到这个队列中
 */
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

  1. 容量

    容量为数组的长度，亦即桶的个数，默认为16，最大为2的30次方，当容量达到64时才可以树化。

  2. 装载因子

    装载因子用来计算容量达到多少时才进行扩容，默认装载因子为0.75。

  3. 引用队列

    当弱键失效的时候会把Entry添加到这个队列中，当下次访问map的时候会把失效的Entry清除掉。

Entry内部类

WeakHashMap内部的存储节点, 没有key属性。

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
    // 可以发现没有key, 因为key是作为弱引用存到Referen类中
    V value;
    final int hash;
    Entry<K,V> next;

    Entry(Object key, V value,
          ReferenceQueue<Object> queue,
          int hash, Entry<K,V> next) {
        // 调用WeakReference的构造方法初始化key和引用队列
        super(key, queue);
        this.value = value;
        this.hash  = hash;
        this.next  = next;
    }
}

public class WeakReference<T> extends Reference<T> {
    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        // 调用Reference的构造方法初始化key和引用队列
        super(referent, q);
    }
}

public abstract class Reference<T> {
    // 实际存储key的地方
    private T referent;         /* Treated specially by GC */
    // 引用队列
    volatile ReferenceQueue<? super T> queue;

    Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
    }
}

从Entry的构造方法我们知道，key和queue最终会传到到Reference的构造方法中，这里的key就是Reference的referent属性，它会被gc特殊对待，即当没有强引用存在时，当下一次gc的时候会被清除。

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;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;
    table = newTable(capacity);
    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = (int)(capacity * loadFactor);
}

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);
}

构造方法与HashMap基本类似，初始容量为大于等于传入容量最近的2的n次方，扩容门槛threshold等于capacity * loadFactor

put(K key, V value)方法

增加元素的方法

public V put(K key, V value) {
    // 如果key为空，用空对象代替
    Object k = maskNull(key);
    // 计算key的hash值
    int h = hash(k);
    // 获取桶
    Entry<K,V>[] tab = getTable();
    // 计算元素在哪个桶中，h & (length-1)
    int i = indexFor(h, tab.length);

    // 遍历桶对应的链表
    for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
        if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
            // 如果找到了元素就使用新值替换旧值，并返回旧值
            V oldValue = e.value;
            if (value != oldValue)
                e.value = value;
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    // 如果没找到就把新值插入到链表的头部
    Entry<K,V> e = tab[i];
    tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
    // 如果插入元素后数量达到了扩容门槛就把桶的数量扩容为2倍大小
    if (++size >= threshold)
        resize(tab.length * 2);
    return null;
}
  1. 计算hash；
    这里与HashMap有所不同，HashMap中如果key为空直接返回0，这里是用空对象来计算的。
    另外打散方式也不同，HashMap只用了一次异或，这里用了四次，HashMap给出的解释是一次够了，而 且就算冲突了也会转换成红黑树，对效率没什么影响。
  2. 计算在哪个桶中；
  3. 遍历桶对应的链表；
  4. 如果找到元素就用新值替换旧值，并返回旧值；

  5. 如果没找到就在链表头部插入新元素；

    HashMap就插入到链表尾部。

  6. 如果元素数量达到了扩容门槛，就把容量扩大到2倍大小；

    HashMap中是大于threshold才扩容，这里等于threshold就开始扩容了。

resize(int newCapacity)方法

扩容方法。

void resize(int newCapacity) {
    // 获取旧桶，getTable()的时候会剔除失效的Entry
    Entry<K,V>[] oldTable = getTable();
    // 旧容量
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    // 新桶
    Entry<K,V>[] newTable = newTable(newCapacity);
    // 把元素从旧桶转移到新桶
    transfer(oldTable, newTable);
    // 把新桶赋值桶变量
    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.
     */
    // 如果元素个数大于扩容门槛的一半，则使用新桶和新容量，并计算新的扩容门槛
    if (size >= threshold / 2) {
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    } else {
        // 否则把元素再转移回旧桶，还是使用旧桶
        // 因为在transfer的时候会清除失效的Entry，所以元素个数可能没有那么大了，就不需要扩容了
        expungeStaleEntries();
        transfer(newTable, oldTable);
        table = oldTable;
    }
}

private void transfer(Entry<K,V>[] src, Entry<K,V>[] dest) {
    // 遍历旧桶
    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();
            // 如果key等于了null就清除，说明key被gc清理掉了，则把整个Entry清除
            if (key == null) {
                e.next = null;  // Help GC
                e.value = null; //  "   "
                size--;
            } else {
                // 否则就计算在新桶中的位置并把这个元素放在新桶对应链表的头部
                int i = indexFor(e.hash, dest.length);
                e.next = dest[i];
                dest[i] = e;
            }
            e = next;
        }
    }
}
  1. 判断旧容量是否达到最大容量；
  2. 新建新桶并把元素全部转移到新桶中；
  3. 如果转移后元素个数不到扩容门槛的一半，则把元素再转移回旧桶，继续使用旧桶，说明不需要扩容；
  4. 否则使用新桶，并计算新的扩容门槛；
  5. 转移元素的过程中会把key为null的元素清除掉，所以size会变小；

get(Object key)方法

获取元素。

public V get(Object key) {
    Object k = maskNull(key);
    // 计算hash
    int h = hash(k);
    Entry<K,V>[] tab = getTable();
    int index = indexFor(h, tab.length);
    Entry<K,V> e = tab[index];
    // 遍历链表，找到了就返回
    while (e != null) {
        if (e.hash == h && eq(k, e.get()))
            return e.value;
        e = e.next;
    }
    return null;
}
  1. 计算hash值；
  2. 遍历所在桶对应的链表；
  3. 如果找到了就返回元素的value值；
  4. 如果没找到就返回空；

remove(Object key)方法

移除元素

public V remove(Object key) {
    Object k = maskNull(key);
    // 计算hash
    int h = hash(k);
    Entry<K,V>[] tab = getTable();
    int i = indexFor(h, tab.length);
    // 元素所在的桶的第一个元素
    Entry<K,V> prev = tab[i];
    Entry<K,V> e = prev;

    // 遍历链表
    while (e != null) {
        Entry<K,V> next = e.next;
        if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
            // 如果找到了就删除元素
            modCount++;
            size--;

            if (prev == e)
                // 如果是头节点，就把头节点指向下一个节点
                tab[i] = next;
            else
                // 如果不是头节点，删除该节点
                prev.next = next;
            return e.value;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }

    return null;
}
  1. 计算hash；
  2. 找到所在的桶；
  3. 遍历桶对应的链表；
  4. 如果找到了就删除该节点，并返回该节点的value值；
  5. 如果没找到就返回null；

expungeStaleEntries()方法

剔除失效的Entry。

private void expungeStaleEntries() {
    // 遍历引用队列
    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);
            // 找到所在的桶
            Entry<K,V> prev = table[i];
            Entry<K,V> p = prev;
            // 遍历链表
            while (p != null) {
                Entry<K,V> next = p.next;
                // 找到该元素
                if (p == e) {
                    // 删除该元素
                    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;
            }
        }
    }
}
  1. 当key失效的时候gc会自动把对应的Entry添加到这个引用队列中；
  2. 所有对map的操作都会直接或间接地调用到这个方法先移除失效的Entry，比如getTable()、size()、resize()；
  3. 这个方法的目的就是遍历引用队列，并把其中保存的Entry从map中移除掉，具体的过程请看类注释；
  4. 从这里可以看到移除Entry的同时把value也一并置为null帮助gc清理元素，防御性编程。

使用例子

package com.coolcoding.code;

import java.util.Map;
import java.util.WeakHashMap;

public class WeakHashMapTest {

public static void main(String[] args) {
    Map<String, Integer> map = new WeakHashMap<>(3);

    // 放入3个new String()声明的字符串
    map.put(new String("1"), 1);
    map.put(new String("2"), 2);
    map.put(new String("3"), 3);

    // 放入不用new String()声明的字符串
    map.put("6", 6);

    // 使用key强引用"3"这个字符串
    String key = null;
    for (String s : map.keySet()) {
        // 这个"3"和new String("3")不是一个引用
        if (s.equals("3")) {
            key = s;
        }
    }

    // 输出{6=6, 1=1, 2=2, 3=3}，未gc所有key都可以打印出来
    System.out.println(map);

    // gc一下
    System.gc();

    // 放一个new String()声明的字符串
    map.put(new String("4"), 4);

    // 输出{4=4, 6=6, 3=3}，gc后放入的值和强引用的key可以打印出来
    System.out.println(map);

    // key与"3"的引用断裂
    key = null;

    // gc一下
    System.gc();

    // 输出{6=6}，gc后强引用的key可以打印出来
    System.out.println(map);
}
}

在这里通过new String()声明的变量才是弱引用，使用”6″这种声明方式会一直存在于常量池中，不会被清理，所以”6″这个元素会一直在map里面，其它的元素随着gc都会被清理掉。

总结

  1. WeakHashMap使用（数组 + 链表）存储结构；
  2. WeakHashMap中的key是弱引用，gc的时候会被清除；
  3. 每次对map的操作都会剔除失效key对应的Entry；
  4. 使用String作为key时，一定要使用new String()这样的方式声明key，才会失效，其它的基本类型的包装类型是一样的；
  5. WeakHashMap常用来作为缓存使用；

强、软、弱、虚引用总结

  1. 强引用

    使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，它绝对不会被gc回收。如果内存空间不足了，gc宁愿抛出OutOfMemoryError，也不是会回收具有强引用的对象。

  2. 软引用

    如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够时不会回收它，但内存空间不够时就会回收这部分对象。只要这个具有软引用对象没有被回收，程序就可以正常使用。

  3. 弱引用

    如果一个对象只具有弱引用，则不管内存空间够不够，当gc扫描到它时就会回收它。

  4. 虚引用

    如果一个对象只具有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，任何时候都可能被gc回收。

软（弱、虚）引用必须和一个引用队列（ReferenceQueue）一起使用，当gc回收这个软（弱、虚）引用引用的对象时，会把这个软（弱、虚）引用放到这个引用队列中。

比如，上述的Entry是一个弱引用，它引用的对象是key，当key被回收时，Entry会被放到queue中。

原文  https://segmentfault.com/a/1190000020069623
正文到此结束
所属分类： Java 编程技术

热门推荐

相关文章

阿里云首购8折
说给你听

本文目录
随机标签
书籍教程
Java入门教程 bootstrap3 CSS springboot-demo Apache基础教程 php ionic 教程 Python mysql教程 eclipse Ubuntu VPS系统配置 AngularJS 教程 Struts2教程 MongoDB教程 Redis教程 Spring教程 Git教程 Jenkins进阶系列 openfire参考指南 Java设计模式 HBase教程 Maven教程 hibernate教程 Docker 教程 memcached教程 Quartz指南 SpringCloud ANTLR教程 Hive教程 java实例教程 Ant教程 Hazelcast教程 Elastic-Job-Lite XStream教程 深入浅出MyBatis SVN教程 ibaties教程 rabittmq教程 WebService CXF学习 Hadoop教程 solr教程 JPA教程 ActiveMQ中文指南 Java内存模型 dubbo教程 Linux入门视频教程
近期评论
  1. 1 Spring Boot集成Druid快速入门Demo
  2. 2 Spring Boot集成Swagge快速入门Demo
  3. 3 Spring Boot集成sitemapgen4j实现网站地图生成
  4. 4 Spring Boot集成oauth2快速入门demo
  5. 5 Spring Boot集成Spring AI实现快速接入openAI
  6. 6 Spring Boot集成Spring Session快速入门Demo
  7. 7 Spring Boot集成RabbitMQ快速入门Demo
  8. 8 Spring Boot集成Quartz快速入门Demo
  9. 9 Spring Boot集成Mybatis Plus快速入门Demo
  10. 10 Spring Boot集成zipkin快速入门Demo
网站信息
  • 文章总数：155,472 篇
  • 文件总数：468,753 个
  • 标签总数：2,271 个
  • 分类总数：90 个
  • 留言数量：2,544 条
  • 在线人数：694 人
  • 运行天数：4,202天
  • 最后更新：2024年04月29日18点
Loading...

其他链接

关于本站

本站定位：个人技术类博客

本站作用：写博客、记日志、闲聊扯淡鼓捣技术。

问题交流

[HBLOG]公众号 HBLOG HBLOG