• Java集合源码分析(八)——WeakHashMap


    简介

    WeakHashMap 继承于AbstractMap,实现了Map接口。

    和HashMap一样,WeakHashMap 也是一个散列表,它存储的内容也是键值对(key-value)映射,而且键和值都可以是null。
    不一样的是,JDK1.8开始,HashMap中引入了红黑树,节点名从entry改成了node,而WeakHashMap还是没有被修改,还是采用链表形式的拉链法解决哈希冲突。

    所谓weak,就是WeakHashMap中存储的键值是弱引用的,是很有可能被GC回收的,所以,WeakHashMap中需要对被GC的键的键值对进行清除,其实现原理:

    1. WeakHashMap中有一个ReferenceQueue用来存储被GC回收的弱键;
    2. 当每次操作WeakHashMap的时候,就会需要同步table和queue,通过同步的行为,就可以删除table中已经被回收了的键的键值对。

    源码分析

    定义

    public class WeakHashMap<K,V>
        extends AbstractMap<K,V>
        implements Map<K,V> {}
    

    字段

    	// 默认初始容量,和hashmap一样
        private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    	// 最大容量
        private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    	// 默认负载因子
        private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    	// 存储键值对链表头节点的数组
        Entry<K,V>[] table;
    	// 当前节点数量
        private int size;
    	// 扩容阈值
        private int threshold;
    	// 加因子实际大小
        private final float loadFactor;
    	// 被垃圾回收的弱引用键队列
        private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
    	// 修改次数
        int modCount;
    

    和参数和HashMap大致相同,不同的是,多了一个引用队列,用来存储被GC的引用,用于之后的同步。

    构造函数

    	// 初始化容量和加载因子的构造函数
        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;
            //	通过比较位移的方式,得到第一个大于等于设定容量的2的幂次的合法容量
            while (capacity < initialCapacity)
                capacity <<= 1;
            // 这个newtbale就是初始化了一个capactiy大小的空数组
            table = newTable(capacity);
            this.loadFactor = loadFactor;
            // 计算扩容阈值
            threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        }
    	// 初始化容量的构造
        public WeakHashMap(int initialCapacity) {
            this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }
    	// 默认构造
        public WeakHashMap() {
            this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }
    	// 添加其他map的构造
        public WeakHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        	// 设定容量和加载因子
            this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                    DEFAULT_INITIAL_CAPACITY),
                 DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    		// 把节点都添加进去
            putAll(m);
        }
    
    

    内部类

    1.节点的结构

    	// 继承了弱引用,实现了Map.Entry,所以它的节点键值都是弱引用,不会防止GC
        private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
        	// 节点存储值
            V value;
            // 节点哈希值
            final int hash;
            // 下一个节点引用
            Entry<K,V> next;
            
            // 构造,新建节点
            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;
            }
    
    		
            @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;
            }
    		// 重写了比较接口函数,就比较类型和键值
            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;
            }
    		// 重写了hashCode函数,然会键值的哈希值而不是对象的哈希值
            public int hashCode() {
                K k = getKey();
                V v = getValue();
                return Objects.hashCode(k) ^ Objects.hashCode(v);
            }
    
            public String toString() {
                return getKey() + "=" + getValue();
            }
        }
    

    2.迭代器

        private abstract class HashIterator<T> implements Iterator<T> {
        	// 当前索引
            private int index;
            // 当前元素
            private Entry<K,V> entry;
            // 上一次返回的元素
            private Entry<K,V> lastReturned;
            // 实现fast-faiul机制
            private int expectedModCount = modCount;
    
    		// 指向下一个键值(强引用)
            private Object nextKey;
    		// 当前节点(强引用)
            private Object currentKey;
    		// 构造
            HashIterator() {
                index = isEmpty() ? 0 : table.length;
            }
    		// 判断是否存在下一个节点
            public boolean hasNext() {
                Entry<K,V>[] t = table;
    
    			// 如果下一个而节点是空的,就需要遍历table,将下一个节点指向table中下一个不为空的头节点
                while (nextKey == null) {
                    Entry<K,V> e = entry;
                    int i = index;
                    while (e == null && i > 0)
                        e = t[--i];
                    entry = e;
                    index = i;
                    if (e == null) {
                        currentKey = null;
                        return false;
                    }
                    nextKey = e.get(); // hold on to key in strong ref
                    if (nextKey == null)
                        entry = entry.next;
                }
                return true;
            }
    
            // 获取下一个节点 
            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 = null;
                return lastReturned;
            }
    		// 删除当前节点
            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;
            }
    
        }
    	// 值遍历
        private class ValueIterator extends HashIterator<V> {
            public V next() {
                return nextEntry().value;
            }
        }
    	// 键的遍历
        private class KeyIterator extends HashIterator<K> {
            public K next() {
                return nextEntry().getKey();
            }
        }
    	// 键值对的遍历
        private class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
            public Map.Entry<K,V> next() {
                return nextEntry();
            }
        }
    
    

    3.集合

    	// 键的集合
        private class KeySet extends AbstractSet<K> {
        	// 调用迭代器的接口
            public Iterator<K> iterator() {
                return new KeyIterator();
            }
    
            public int size() {
                return WeakHashMap.this.size();
            }
    
            public boolean contains(Object o) {
                return containsKey(o);
            }
    
            public boolean remove(Object o) {
                if (containsKey(o)) {
                    WeakHashMap.this.remove(o);
                    return true;
                }
                else
                    return false;
            }
    
            public void clear() {
                WeakHashMap.this.clear();
            }
    		// 分割迭代器,用于并行
            public Spliterator<K> spliterator() {
                return new KeySpliterator<>(WeakHashMap.this, 0, -1, 0, 0);
            }
        } 	
       // 键值对集合
       private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
            public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
                return new EntryIterator();
            }
    
            public boolean contains(Object o) {
                if (!(o instanceof Map.Entry))
                    return false;
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
                return candidate != null && candidate.equals(e);
            }
    
            public boolean remove(Object o) {
                return removeMapping(o);
            }
    
            public int size() {
                return WeakHashMap.this.size();
            }
    
            public void clear() {
                WeakHashMap.this.clear();
            }
    		// 深拷贝接口
            private List<Map.Entry<K,V>> deepCopy() {
                List<Map.Entry<K,V>> list = new ArrayList<>(size());
                // 将键值对都添加到新的链表当中
                for (Map.Entry<K,V> e : this)
                    list.add(new AbstractMap.SimpleEntry<>(e));
                return list;
            }
    		// 转化为数组
            public Object[] toArray() {
                return deepCopy().toArray();
            }
    		// 模板方法的数组
            public <T> T[] toArray(T[] a) {
                return deepCopy().toArray(a);
            }
    		// 分割迭代
            public Spliterator<Map.Entry<K,V>> spliterator() {
                return new EntrySpliterator<>(WeakHashMap.this, 0, -1, 0, 0);
            }
        }
    

    方法

    1.哈希函数

    	// 获取键的哈希值
        final int hash(Object k) {
            int h = k.hashCode();
    
            // This function ensures that hashCodes that differ only by
            // constant multiples at each bit position have a bounded
            // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
            // 这样搞是为了尽可能地均匀吧
            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
            return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
        }
    

    2.元素获取

    	// 获取最新的表
        private Entry<K,V>[] getTable() {
        	// 之所以要获取最新的表,是因为需要先删除GC的Key
            expungeStaleEntries();
            return table;
        }
    
    	// 获取对应键的元素值
        public V get(Object key) {
        	// 如果key是null那么就用一个final的空对象,这样保证每次null的对象相同
            Object k = maskNull(key);
            // 获取key的哈希值
            int h = hash(k);
            // 获取最新的表,在这里会触发一次表的更新,就是将GC了的key给移除
            Entry<K,V>[] tab = getTable();
            // 根据哈希值获取当前table中对应的索引
            int index = indexFor(h, tab.length);
            // 拿出节点
            Entry<K,V> e = tab[index];
            // 遍历链表
            while (e != null) {
            	// 匹配值
                if (e.hash == h && eq(k, e.get()))
                    return e.value;
                e = e.next;
            }
            // 没有找到就返回空
            return null;
        }
    

    3.元素添加

    	// 添加获取修改键值
        public V put(K key, V value) {
        	// 这些操作和上面差不多
            Object k = maskNull(key);
            int h = hash(k);
            Entry<K,V>[] tab = getTable();
            int i = indexFor(h, tab.length);
    		// 遍历链表,如果有相同的key,那就直接修改值
            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];
            // 数组头添加新的节点,采用了头插法
            tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e);
            if (++size >= threshold)
            	// 如果当数量大于等于阈值则进行扩容
                resize(tab.length * 2);
            return null;
        }
    

    4.删除被GC的节点

    WeakHashTable就是通过这个函数实现弱引用被GC后的表中节点的回收。

        private void expungeStaleEntries() {
        	// 遍历引用队列中被标记回收得值
            for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
            	// 获取锁,防止其他线程进入
                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;
                    // 删除节点
                    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; // 将键对应得值指向空,这样就可以让GC来回收原来得对象
                            size--;
                            break;
                        }
                        prev = p;
                        p = next;
                    }
                }
            }
        }
    

    5.扩容

    扩容的大致其实和HashMap差不多

    	// 扩容到新得容量
        void resize(int newCapacity) {
            Entry<K,V>[] oldTable = getTable();
            int oldCapacity = oldTable.length;
            // 边界判断
            if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
    		// 新建一个标准大小的数组
            Entry<K,V>[] newTable = newTable(newCapacity);
            // 将旧数组上的数据复制过去
            transfer(oldTable, newTable);
            // 更新引用
            table = newTable;
    		// 查看size是不是大于,扩容阈值的一半,如果不是,说明size又变小了,不需要扩容了
            if (size >= threshold / 2) {
            	// 更新扩容阈值
                threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
            } else {
            	// 更新GC后的key
                expungeStaleEntries();
                // 返回原有大小的表
                transfer(newTable, oldTable);
                table = oldTable;
            }
        }
    	// 将原表复制到目标表
        private void transfer(Entry<K,V>[] src, Entry<K,V>[] dest) {
        	// 遍历原表
            for (int j = 0; j < src.length; ++j) {
                Entry<K,V> e = src[j];
                src[j] = null;
                // 遍历链表,再将节点放到新表的对应位置
                while (e != null) {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    Object key = e.get();
                    if (key == null) {
                    	// 用于GC
                        e.next = null;
                        e.value = null; 
                        size--;
                    } else {
                    	// 获取到对应的索引
                        int i = indexFor(e.hash, dest.length);
                        e.next = dest[i];
                        dest[i] = e;
                    }
                    e = next;
                }
            }
        }
    

    6.元素删除

        public V remove(Object key) {
        	// 同上
            Object k = maskNull(key);
            int h = hash(k);
            Entry<K,V>[] tab = getTable();
            int i = indexFor(h, tab.length);
            Entry<K,V> prev = tab[i];
            Entry<K,V> e = prev;
    		// 遍历链表
            while (e != null) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                // 匹配到了就删除
                if (h == e.hash && eq(k, e.get())) {
                    modCount++;
                    size--;
                    // 如果是头节点
                    if (prev == e)
                        tab[i] = next;
                    else
                        prev.next = next;
                    return e.value;
                }
                prev = e;
                e = next;
            }
    
            return null;
        }
    

    总结

    源码总结

    • 大致的1.7的哈希表差不多,采用拉链法解决哈希冲突,只有链表,采用头插法,包括初始容量、扩容阈值和大小。
    • 表中的节点继承了弱引用,这说明它的引用的键是会被垃圾回收的。
    • 主要的区别就是它再对表进行修改的时候,都会调用expungeStaleEntries函数,用来删除那些已经被垃圾回收了的键,所对应的键值对。需要删除的键会存放在ReferenceQueue 中,每次去获取需要被删除的key。
    • 和其他集合的重要区别,WeakHashMap没有实现克隆和序列化的接口。
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