前面把基于特定数据结构的Map介绍完了,它们分别利用了相应数据结构的特点来实现特殊的目的,像HashMap利用哈希表的快速插入、查找实现O(1)
的增删改查,TreeMap则利用了红黑树来保证key的有序性的同时,使得增删改查的时间复杂度为O(log(n))
。
今天要介绍的WeakHashMap并没有基于某种特殊的数据结构,它的主要目的是为了优化JVM,使JVM中的垃圾回收器(garbage collector,后面简写为 GC)更智能的回收“无用”的对象。
本文源码分析基于Oracle JDK 1.7.0_71,请知悉。
$ java -version
java version "1.7.0_71"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_71-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.71-b01, mixed mode)
引用类型
WeakHashMap
与其他 Map 最主要的不同之处在于其 key 是弱引用类型,其他 Map 的 key 均为强引用类型,说到这里,必须强调下:Java 中,引用有四种类型,分别为:强(strong)引用、软(soft)引用、弱(weak)引用、虚(phantom,本意为幽灵👻)引用。我相信对于 Java 初学者来说,不一定听过这几种引用类似,下面先介绍下这几种类型。
强引用
这是最常用的引用类型,在执行下面的语句时,变量 o
即为一个强引用。
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强引用指向的对象无论在何时,都不会被GC 清理掉。
一般来说,对于常驻类应用(比如server),随着时间的增加,所占用的内存往往会持续上升,如果程序中全部使用强引用,那么很容易造成内存泄漏,最终导致Out Of Memory (OOM)
,所以 Java 中提供了除强引用之外的其他三种引用,它们全部位于java.lang.ref
包中,下面一一介绍。
java.lang.ref.Reference
java.lang.ref.Reference
为 软(soft)引用、弱(weak)引用、虚(phantom)引用的父类。
下面分析下Reference
的源码(其他三种引用都是其子类,区分不是很大)。
构造函数
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如果我们在创建一个引用对象时,指定了ReferenceQueue
,那么当引用对象指向的对象达到合适的状态(根据引用类型不同而不同)时,GC 会把引用对象本身添加到这个队列中,方便我们处理它,因为
引用对象指向的对象 GC 会自动清理,但是引用对象本身也是对象(是对象就占用一定资源),所以需要我们自己清理。
举个例子:
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sr
为软引用,指向 o
这个对象,o
会在一定时机被 GC 自动清理,但是 sr
对象本身的清理工作依赖于 queue
,当 sr
出现在queue
中时,说明其指向的对象已经无效,可以放心清理了。
从上面的分析大家应该对Reference
类有了基本的认识,但是上面也提到了,不同的引用,添加到ReferenceQueue
的时机是不一样。下面介绍具体引用时再进行说明。
这里有个问题,如果创建引用对象是没有指定ReferenceQueue
,引用对象会怎么样呢?这里需要了解Reference
类内部的四种状态。
四种状态
每一时刻,Reference
对象都处于下面四种状态中。这四种状态用Reference
的成员变量queue
与next
(类似于单链表中的next)来标示。
ReferenceQueue<? super T> queue;
Reference next;
Active。新创建的引用对象都是这个状态,在 GC 检测到引用对象已经到达合适的reachability时,GC 会根据引用对象是否在创建时制定
ReferenceQueue
参数进行状态转移,如果指定了,那么转移到Pending
,如果没指定,转移到Inactive
。在这个状态中//如果构造参数中没指定queue,那么queue为ReferenceQueue.NULL,否则为构造参数中传递过来的queue queue = ReferenceQueue || ReferenceQueue.NULL next = null
Pending。pending-Reference列表中的引用都是这个状态,它们等着被内部线程
ReferenceHandler
处理(会调用ReferenceQueue.enqueue
方法)。没有注册的实例不会进入这个状态。在这个状态中//构造参数参数中传递过来的queue queue = ReferenceQueue next = 该queue中的下一个引用,如果是该队列中的最后一个,那么为this
Enqueued。调用
ReferenceQueue.enqueued
方法后的引用处于这个状态中。没有注册的实例不会进入这个状态。在这个状态中queue = ReferenceQueue.ENQUEUED next = 该queue中的下一个引用,如果是该队列中的最后一个,那么为this
Inactive。最终状态,处于这个状态的引用对象,状态不会在改变。在这个状态中
queue = ReferenceQueue.NULL next = this
有了这些约束,GC 只需要检测next
字段就可以知道是否需要对该引用对象采取特殊处理
- 如果
next
为null
,那么说明该引用为Active
状态 - 如果
next
不为null
,那么 GC 应该按其正常逻辑处理该引用。
我自己根据Reference.ReferenceHandler.run
与ReferenceQueue.enqueue
这两个方法,画出了这四种状态的转移图,供大家参考:
要理解这个状态 GC 到底做了什么事,需要看 JVM 的代码,我这里时间、能力都不够,就不献丑了,后面有机会再来填坑。 对于一般程序员来说,这四种状态完全可以不用管。最后简单两句话总结上面的四种状态:
- 如果构造函数中指定了
ReferenceQueue
,那么事后程序员可以通过该队列清理引用 - 如果构造函数中没有指定了
ReferenceQueue
,那么 GC 会自动清理引用
get
调用Reference.get
方法可以得到该引用指向的对象,但是由于指向的对象随时可能被 GC 清理,所以即使在同一个线程中,不同时刻的调用可能返回不一样的值。
软引用(soft reference)
软引用“保存”对象的能力稍逊于强引用,但是高于弱引用,一般用来实现memory-sensitive caches。
软引用指向的对象会在程序即将触发
OOM
时被GC 清理掉,之后,引用对象会被放到ReferenceQueue
中。
弱引用(weak reference)
软引用“保存”对象的能力稍逊于弱引用,但是高于虚引用,一般用来实现canonicalizing mapping,也就是本文要讲的WeakHashMap
😊。
当弱引用指向的对象只能通过弱引用(没有强引用或弱引用)访问时,GC会清理掉该对象,之后,引用对象会被放到
ReferenceQueue
中。
虚引用(phantom reference)
虚引用是“保存”对象能力最弱的引用,一般用来实现scheduling pre-mortem cleanup actions in a more flexible way than is possible with the Java finalization mechanism
调用虚引用的
get
方法,总会返回null
,与软引用和弱引用不同的是,虚引用被enqueued
时,GC 并不会自动清理虚引用指向的对象,只有当指向该对象的所有虚引用全部被清理(enqueued后)后或其本身不可达时,该对象才会被清理。
WeakHashMap.Entry
上面介绍了很多引用的知识点,其实WeakHashMap
本身没什么好说的,只要是把引用的作用与使用场景搞清楚了,再来分析基于这些引用的对象就会很简单了。
WeakHashMap
与HashMap
的签名与构造函数一样,这里就不介绍了,这里重点介绍下Entry
这个内部对象,因为其保存具体key-value对,所以把它弄清楚了,其他的就问题不大了。
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WeakHashMap.expungeStaleEntries
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知道了expungeStaleEntries
方法的作用,下面看看它是何时被调用的
可以看到,在对WeakHashMap
进行增删改查时,都调用了expungeStaleEntries
方法。
实战
上面说了,下面来个具体的例子帮助大家消化
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输出
KeyHolder@a15670a : ValueHolder@20e1ed5b
here...
I am over from key //输出这句话说明,该key对应的Entry已经被 GC 清理
here...
here...
here...
...
...
...
总结
说实话,之前我是没怎么了解过引用,更是没有用过WeakHashMap
这个类,这次算是把这个坑给填上了。引用的使用场景应该是在常驻类或消耗内存较大应用中才用得上,我自己确实没怎么经历过这种类型的项目,只能现在打好基础,以后有机会在尝试。
其实关于引用,本文重点介绍了弱引用的使用场景,其他的没怎么介绍,感兴趣的可以阅读参考中给出的链接。😊