一、類繼承關系
二、概述
WeakHashMap是基于基于弱引用key和哈希表的Map接口實作類,通常用于實作對記憶體敏感的本地緩存。使用WeakHashMap時要求key不能被其他常駐記憶體的執行個體(如WeakHashMap中的value)引用,如果必須引用,則将引用方包裝成WeakReference,如:m.put(key, new WeakReference(value))。當隻有WeakHashMap執行個體保留了對目标key的引用時,下一次垃圾回收可能将該key從記憶體中删除掉,注意key删除了但是key對應的WeakReference執行個體還在WeakHashMap中。如果被删除了,則下一次調用WeakHashMap的某個方法時,WeakHashMap會首先将被垃圾回收掉的key對應的WeakReference執行個體及其value從WeakHashMap中删除。使用WeakHashMap時需要程式做好某個key突然沒有的應對措施,key的删除是垃圾回收器決定的,對應用程式是不可控不可預知的。參考如下用例:
@Test
public void test() throws Exception {
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
WeakReference reference = new WeakReference(new Object(), queue);
System.out.println(reference);
System.gc();
Reference reference1 = queue.remove();
System.out.println(reference1);
System.out.println(reference1.get());//為null
}
@Test
public void test2() throws Exception {
Map<User,String> map=new WeakHashMap<>();
map.put(new User("shl",12),"shl");
map.put(new User("shl2",12),"shl2");
System.out.println(map.size());
//調用gc()方法時不保證垃圾回收器一直執行垃圾回收
System.gc();
System.gc();
System.gc();
System.out.println(map.size());
}
三、源碼實作
1、全局變量定義
/**
* 預設初始容量
*/
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 最大容量
*/
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 預設負載因子
*/
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 哈希表
*/
Entry<K,V>[] table;
/**
* 儲存的元素個數
*/
private int size;
/**
* 執行擴容的門檻值 (capacity * load factor).
*/
private int threshold;
/**
* 負載因子
*/
private final float loadFactor;
/**
* 儲存弱引用的隊列,當垃圾回收器回收了某個弱引用對應的對象時,會将該弱引用放入隊列中
*/
private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
/**
* 代表為null的key
*/
private static final Object NULL_KEY = new Object();
/**
* 記錄修改次數
*/
int modCount;
2、構造方法
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;
//計算大于initialCapacity的最小的2的整數次方,跟HashMap中的實作相比,運算的次數更多
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);
}
3、存儲key/value的資料結構
/**
* Entry繼承自WeakReference
*/
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
V value;
final int hash;
Entry<K,V> next;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(Object key, V value,
ReferenceQueue<Object> queue,
int hash, Entry<K,V> next) {
//此處自動将key包裝成WeakReference
super(key, queue);
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
//此處擷取key是從WeakReference中擷取key的
@SuppressWarnings("unchecked")
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 Objects.hashCode(k) ^ Objects.hashCode(v);
}
public String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
}
4、公用方法
@SuppressWarnings("unchecked")
//傳回指定容量的哈希表
private Entry<K,V>[] newTable(int n) {
return (Entry<K,V>[]) new Entry<?,?>[n];
}
/**
* 插入時對key做預處理,如果key為null轉換為NULL_KEY
*/
private static Object maskNull(Object key) {
return (key == null) ? NULL_KEY : key;
}
/**
* 傳回key時對key做預處理,如果key為NULL_KEY轉換為null
*/
static Object unmaskNull(Object key) {
return (key == NULL_KEY) ? null : key;
}
/**
* 判斷兩個對象是否相等
*/
private static boolean eq(Object x, Object y) {
return x == y || x.equals(y);
}
/**
* 讓低位位元組參與運算,減少hash碰撞,相比HashMap運算次數更多
*/
final int hash(Object k) {
int h = k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
/**
* 傳回哈希表中索引
*/
private static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
/**
* 從哈希表中删除弱引用隊列儲存的元素,弱引用隊列中儲存的元素是已經被垃圾回收器給回收的元素
* 注意Entry是繼承自WeakReference對象,此時從引用隊列擷取的Entry執行個體中儲存的key已經被垃圾回收器會回收了
*/
private void expungeStaleEntries() {
//不斷的從弱引用隊列中拉取元素
for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
synchronized (queue) {
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x;
//找到被删除元素所屬的哈希索引
int i = indexFor(e.hash, table.length);
//擷取該索引下哈希桶的頭元素
//prev表示前一個元素
Entry<K,V> prev = table[i];
//p表示目前周遊的元素
Entry<K,V> p = prev;
//周遊哈希桶的單向連結清單
while (p != null) {
Entry<K,V> next = p.next;
//找到目标元素
if (p == e) {
//p和prev隻有在都指向頭元素時才相等,即待删除元素是頭元素,将下一個元素置為頭元素
if (prev == e)
table[i] = next;
else
//如果不是頭元素,将前一個元素和下一個元素關聯起來
prev.next = next;
//e.key已經為null,将value進一步置為null,進而被垃圾回收器回收
e.value = null;
//元素被移除,size減1,跳出循環
size--;
break;
}
//沒找到key,pre置成目前元素,p置成下一個元素,繼續周遊
prev = p;
p = next;
}
}
}
}
private Entry<K,V>[] getTable() {
expungeStaleEntries();
return table;
}
5、元素插入
public V put(K key, V value) {
Object k = maskNull(key);
int h = hash(k);
//getTable方法會自動清除被垃圾回收掉的元素
Entry<K,V>[] tab = getTable();
//找到該元素所屬的hash桶
int i = indexFor(h, tab.length);
//周遊哈希桶中的單向連結清單
for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
//存在key相同的,覆寫原值
if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
V oldValue = e.value;
if (value != oldValue)
e.value = value;
return oldValue;
}
}
//沒有相同key的元素
modCount++;
//将新元素插入到單向連結清單的頭部
Entry<K,V> e = tab[i];
tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
//如果目前元素個數超過門檻值則執行擴容
if (++size >= threshold)
resize(tab.length * 2);
return null;
}
6、key/value查找
public boolean containsKey(Object key) {
return getEntry(key) != null;
}
Entry<K,V> getEntry(Object key) {
Object k = maskNull(key);
int h = hash(k);
//清除被回收的元素
Entry<K,V>[] tab = getTable();
//擷取哈希索引
int index = indexFor(h, tab.length);
Entry<K,V> e = tab[index];
//周遊哈希桶的單向連結清單
while (e != null && !(e.hash == h && eq(k, e.get())))
e = e.next;
return e;
}
public boolean containsValue(Object value) {
if (value==null)
return containsNullValue();
Entry<K,V>[] tab = getTable();
//周遊每個哈希桶
for (int i = tab.length; i-- > 0;)
//周遊哈希桶中的單向連結清單
for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
if (value.equals(e.value))
return true;
return false;
}
7、擴容
void resize(int newCapacity) {
//清除已被回收元素
Entry<K,V>[] oldTable = getTable();
int oldCapacity = oldTable.length;
//達到最大容量後就無法擴容了,提高門檻值避免二次觸發
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry<K,V>[] newTable = newTable(newCapacity);
transfer(oldTable, newTable);
table = newTable;
/*
* 因為存在垃圾回收的情況,原來size是大于threshold的,transfer執行時會将被回收的元素删除掉,導緻size有可能小于
* threshold的二分之一
*/
if (size >= threshold / 2) {
//size依然較大,更新threshold值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
} else {
//垃圾回收器回收了大部分元素,此時不需要擴容了,将newTable中的元素轉移到oldTable中
//之前的transfer沒有删除元素,此處的expungeStaleEntries方法會删除元素
expungeStaleEntries();
transfer(newTable, oldTable);
table = oldTable;
}
}
private void transfer(Entry<K,V>[] src, Entry<K,V>[] dest) {
//周遊原來的哈希桶
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();
//因為WeakHashMap對null的key轉換成常量了,當key為null時表示該元素被垃圾回收期回收掉了
if (key == null) {
//此處将該元素儲存的引用都置成null,便于垃圾回收,注意此時沒有将上一個元素對該元素的引用删除掉,即該元素實際還在Map中
e.next = null;
e.value = null;
size--;
} else {
//按照擴容後的哈希桶重新hash,重建立立單向連結清單
int i = indexFor(e.hash, dest.length);
e.next = dest[i];
dest[i] = e;
}
e = next;
}
}
}
8、元素删除
//與元素查找邏輯相同
public V remove(Object key) {
Object k = maskNull(key);
int h = hash(k);
//清除已被回收元素
Entry<K,V>[] tab = getTable();
//找到key所屬的哈希桶
int i = indexFor(h, tab.length);
//辨別上一個元素
Entry<K,V> prev = tab[i];
//辨別目前元素
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
//找到目标key
if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
//如果目标key是哈希桶的頭元素,将頭元素置成下一個元素
tab[i] = next;
else
//不是頭元素,建立前一個元素和下一個元素的關聯
prev.next = next;
//傳回key原來的value
return e.value;
}
//沒有找到目标key,繼續往下周遊
prev = e;
e = next;
}
return null;
}
9、元素周遊,Iterator接口實作
//周遊邏輯跟HashMap基本一緻,隻是為了适應WeakHashMap增加了兩個用于儲存下一個元素key和目前元素key的強引用執行個體
private abstract class HashIterator<T> implements Iterator<T> {
private int index;
private Entry<K,V> entry;
private Entry<K,V> lastReturned;
private int expectedModCount = modCount;
/**
* 對下一個key的強引用執行個體,避免在周遊時被垃圾回收掉
*/
private Object nextKey;
/**
* 目前key的強引用執行個體,避免在周遊時被垃圾回收掉
*/
private Object currentKey;
HashIterator() {
index = isEmpty() ? 0 : table.length;
}
public boolean hasNext() {
Entry<K,V>[] t = table;
//nextKey未初始化或者執行了nextEntry方法
while (nextKey == null) {
Entry<K,V> e = entry;
int i = index;
//找到第一個不為空的哈希桶
while (e == null && i > 0)
e = t[--i];
//目前元素
entry = e;
//目前哈希索引
index = i;
//所有哈希桶都是空的
if (e == null) {
currentKey = null;
return false;
}
//将目前元素的key指派給一個強引用執行個體,避免被回收
nextKey = e.get(); // hold on to key in strong ref
//如果已經被回收了,則将目前元素置成下一個元素,下一次循環中執行nextKey = e.get(),然後跳出循環
if (nextKey == null)
entry = entry.next;
}
return true;
}
protected Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (nextKey == null && !hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = entry;
entry = entry.next;
currentKey = nextKey;
//nextKey置為null,觸發下一次執行hasNext()方法時查找元素的邏輯
nextKey = null;
return lastReturned;
}
public void remove() {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
WeakHashMap.this.remove(currentKey);
expectedModCount = modCount;
lastReturned = null;
currentKey = null;
}
}
private class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().value;
}
}
private class KeyIterator extends HashIterator<K> {
public K next() {
return nextEntry().getKey();
}
}
private class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}