Java中WeakHashMap的使用详解

WeakHashMap

作为一个java开发者肯定都知道且使用HashMap，但估计大部分人都不太知道WeakHashMap。

从类定义上来看，它和普通的HashMap一样，继承了AbstractMap类和实现了Map接口，也就是说它有着与HashMap差不多的功能。

那么既然jdk已经提供了HashMap，为什么还要再提供一个WeakHashMap呢？ 黑格尔曾经说过，存在必合理，接下来我们来看下为什么有WeakHashMap。 　　

先来想象一下你因为某种需求需要一个Cache，你肯定会面临一个问题，就是所有数据不可能都放到Cache里，或者放到Cache里性价比太低了。

这个时候你可能很快就想到了各种Cache数据过期策略，目前也有一些优秀的包提供了功能丰富的Cache，比如Google的Guava Cache，它支持数据定期过期、LRU、LFU等策略，但它任然有可能会导致有用的数据被淘汰，没用的数据迟迟不淘汰（如果策略使用得当的情况下这都是小概率事件）。 　　

如果我现在说有种机制，可以让你Cache里不用的key数据自动清理掉，用的还留着，没有误杀也没有漏杀你信不信！没错WeakHashMap就是能实现这种功能的东西，这也是它和普通的HashMap不同的地方——它有自清理的机制。 　　

如果让你实现一种自清理的HashMap，你怎么做？ 我的做法肯定是想办法先知道某个Key肯定没有在用了，然后清理到HashMap中对应的K-V。

在JVM里一个对象没用了是指没有任何其他有用对象直接或者间接执行它，具体点就是在GC过程中它是GCRoots不可达的。 Jvm提供了一种机制能让我们感知到一个对象是否已经变成了垃圾对象，这就是WeakReference，不了解WeakReference的可以看下我上一篇介绍博客Java弱引用(WeakReferences)。 　　

某个WeakReference对象所指向的对象如果被判定为垃圾对象，Jvm会将该WeakReference对象放到一个ReferenceQueue里，我们只要看下这个Queue里的内容就知道某个对象还有没有用了。 WeakHashMap就是这么做的，所以这里的Weak是指WeakReference。接下来让我们看下它的代码，看它具体是怎么实现的。

源码分析

    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;

和普通HashMap一样，WeakHashMap也有一些默认值，比如默认容量是16，最大容量2^30，使用超过75%它就会自动扩容。

Entry

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;
        }
        /*
        * 其他代码  
        */
}

它的Entry和普通HashMap的Entry最大的不同是它继承了WeakReference，然后把Key做成了弱引用（注意只有Key没有Value），然后传入了一个ReferenceQueue，这就让它能在某个key失去所有强引用的时候感知到。

put

    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;
    }

put方法也很简单，用key的hashcode在tab中定位，然后判断是否是已经存在的key，已经存在就替换旧值，否则就新建Entry，遇到多个不同的key有同样的hashCode就采用开链的方式解决hash冲突。

注意这里和HashMap不太一样的地方，HashMap会在链表太长的时候对链表做树化，把单链表转换为红黑树，防止极端情况下hashcode冲突导致的性能问题，但在WeakHashMap中没有树化。 　　

同样，在size大于阈值的时候，WeakHashMap也对做resize的操作，也就是把tab扩大一倍。WeakHashMap中的resize比HashMap中的resize要简单好懂些，但没HashMap中的resize优雅。

WeakHashMap中resize有另外一个额外的操作，就是expungeStaleEntries()，就是对tab中的死对象做清理，稍后会详细介绍。

get

    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;
    }

get方法就没什么特别的了，因为Entry里存了hash值和key的值，所以只要用indexFor定位到tab中的位置，然后遍历一下单链表就知道了。

expungeStaleEntries

    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;
                }
            }
        }
    }

expungeStaleEntries就是WeakHashMap的核心了，它承担着Map中死对象的清理工作。原理就是依赖WeakReference和ReferenceQueue的特性。

在每个WeakHashMap都有个ReferenceQueue queue，在Entry初始化的时候也会将queue传给WeakReference，这样当某个可以key失去所有强应用之后，其key对应的WeakReference对象会被放到queue里，有了queue就知道需要清理哪些Entry里。这里也是整个WeakHashMap里唯一加了同步的地方。 　　

除了上文说的到resize中调用了expungeStaleEntries()，size()中也调用了这个清理方法。另外 getTable()也调了，这就意味着几乎所有其他方法都间接调用了清理。

其他

除了上述几个和HashMap不太一样的地方外，WeakHashMap也提供了其他HashMap所有的方法，比如像remove、clean、putAll、entrySet…… 功能上几乎可以完全替代HashMap，但WeakHashMap也有一些自己的缺陷。

缺陷

1.非线程安全

关键修改方法没有提供任何同步，多线程环境下肯定会导致数据不一致的情况，所以使用时需要多注意。

2.单纯作为Map没有HashMap好

HashMap在Jdk8做了好多优化，比如单链表在过长时会转化为红黑树，降低极端情况下的操作复杂度。

但WeakHashMap没有相应的优化，有点像jdk8之前的HashMap版本。

3.不能自定义ReferenceQueue

WeakHashMap构造方法中没法指定自定的ReferenceQueue，如果用户想用ReferenceQueue做一些额外的清理工作的话就行不通了。

如果即想用WeakHashMap的功能，也想用ReferenceQueue，貌似得自己实现一套新的WeakHashMap了。

用途

这里列举几个我所知道的WeakHashMap的使用场景。

1.阿里Arthas

在阿里开源的Java诊断工具中使用了WeakHashMap做类-字节码的缓存。

 // 类-字节码缓存
    private final static Map<Class<?>/*Class*/, byte[]/*bytes of Class*/> classBytesCache
            = new WeakHashMap<Class<?>, byte[]>();

2.Cache

WeakHashMap这种自清理的机制，非常适合做缓存了。

3.ThreadLocalMap

ThreadLocal中用ThreadLocalMap存储Thread对象，虽然ThreadLocalMap和WeakHashMap不是一个东西，但ThreadLocalMap也利用到了WeakReference的特性，功能用途很类似，所以我很好奇为什么ThreadLocalMap不直接用WeakHashMap呢！

到此这篇关于Java中WeakHashMap的使用详解的文章就介绍到这了,更多相关WeakHashMap的使用内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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