Java WeakHashMap 源码解析

发布: 2015-09-27   上次更新: 2024-09-25   分类: 编程语言   标签: Java

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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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Object o = new Object();

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。

Reference类继承关系

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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    //referent 为引用指向的对象
    Reference(T referent) {
        this(referent, null);
    }
    //ReferenceQueue对象,可以简单理解为一个队列
    //GC 在检测到appropriate reachability changes之后,
    //会把引用对象本身添加到这个queue中,便于清理引用对象本身
    Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
        this.referent = referent;
        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
    }

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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Object o = new Object();
SoftReference<Object> sr = new SoftReference<>(o , queue);

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queuenext(类似于单链表中的next)来标示。

ReferenceQueue<? super T> queue;
Reference next;

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

我自己根据Reference.ReferenceHandler.runReferenceQueue.enqueue这两个方法,画出了这四种状态的转移图,供大家参考:

Reference状态转移图

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:

  1. 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
  2. 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。 WeakHashMapHashMap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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   /**
     * The entries in this hash table extend WeakReference, using its main ref
     * field as the key.
     */
    private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
        V value;
        int hash;
        Entry<K,V> next;

        /**
         * Creates new entry.
         */
        Entry(Object key, V value,
              ReferenceQueue<Object> queue,
              int hash, Entry<K,V> next) {
            //这里把key传给了父类WeakReference,说明key为弱引用(没有显式的 this.key = key)
            //所有如果key只有通过弱引用访问时,key会被 GC 清理掉
            //同时该key所代表的Entry会进入queue中,等待被处理
            //还可以看到value为强引用(有显式的 this.value = value ),但这并不影响
            //后面可以看到WeakHashMap.expungeStaleEntries方法是如何清理value的
            super(key, queue);
            this.value = value;
            this.hash  = hash;
            this.next  = next;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        //在获取key时需要unmaskNull,因为对于null的key,是用WeakHashMap的内部成员属性来表示的
        public K getKey() {
            return (K) WeakHashMap.unmaskNull(get());
        }

        public V getValue() {
            return value;
        }

        public V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
        public boolean equals(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
            K k1 = getKey();
            Object k2 = e.getKey();
            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
                V v1 = getValue();
                Object v2 = e.getValue();
                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                    return true;
            }
            return false;
        }

        public int hashCode() {
            K k = getKey();
            V v = getValue();
            return ((k==null ? 0 : k.hashCode()) ^
                    (v==null ? 0 : v.hashCode()));
        }

        public String toString() {
            return getKey() + "=" + getValue();
        }
    }

WeakHashMap.expungeStaleEntries

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    /**
     * Reference queue for cleared WeakEntries
     */
    // 所有Entry在构造时都传入该queue
    private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

    /**
     * Expunges stale entries from the table.
     */
    private void expungeStaleEntries() {
        for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
            synchronized (queue) {
                // e 为要清理的对象
                @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 循环遍历冲突链
                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
                        // 可以看到这里把value赋值为null,来帮助 GC 回收强引用的value
                        e.value = null; // Help GC
                        size--;
                        break;
                    }
                    prev = p;
                    p = next;
                }
            }
        }
    }

知道了expungeStaleEntries方法的作用,下面看看它是何时被调用的

expungeStaleEntries调用链

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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import java.util.WeakHashMap;

class KeyHolder {
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("I am over from key");
        super.finalize();
    }
}
class ValueHolder {
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("I am over from value");
        super.finalize();
    }
}

public class RefTest {
    public static void main(String[] args) {
        WeakHashMap<KeyHolder, ValueHolder> weakMap = new WeakHashMap<KeyHolder, ValueHolder>();

        KeyHolder kh = new KeyHolder();    
        ValueHolder vh = new ValueHolder();

        weakMap.put(kh, vh);

        while (true) {
            for (KeyHolder key : weakMap.keySet()) {
                System.out.println(key + " : " + weakMap.get(key));
            }
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("here...");
            //这里把kh设为null,这样一来就只有弱引用指向kh指向的对象
            kh = null;
            System.gc();
        }
    }
}

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。😊

参考

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