前言

大家好，我是小彭。

[在之前的文章里]，我们聊到了 Java 标准库中 [HashMap]与 [LinkedHashMap]的实现原理。HashMap 是一个标准的散列表数据结构，而 LinkedHashMap 是在 HashMap 的基础上实现的哈希链表。

今天，我们来讨论 WeakHashMap，其中的 “Weak” 是指什么，与前两者的使用场景有何不同？我们就围绕这些问题展开。

提示： 本文源码基于 JDK 1.2 WeakHashMap。

思维导图：

1. 回顾 HashMap 和 LinkedHashMap

其实，WeakHashMap 与 HashMap 和 LinkedHashMap 的数据结构大同小异，所以我们先回顾后者的实现原理。

1.1 说一下 HashMap 的实现结构

HashMap 是基于分离链表法解决散列冲突的动态散列表。

• 1、HashMap 在 Java 7 中使用的是 “数组 + 链表”，发生散列冲突的键值对会用头插法添加到单链表中；
• 2、HashMap 在 Java 8 中使用的是 “数组 + 链表 + 红黑树”，发生散列冲突的键值对会用尾插法添加到单链表中。如果链表的长度大于 8 时且散列表容量大于 64，会将链表树化为红黑树。

HashMap 实现示意图

1.2 说一下 LinkedHashMap 的实现结构

LinkedHashMap 是继承于 HashMap 实现的哈希链表。

• 1、LinkedHashMap 同时具备双向链表和散列表的特点。当 LinkedHashMap 作为散列表时，主要体现出 O(1) 时间复杂度的查询效率。当 LinkedHashMap 作为双向链表时，主要体现出有序的特性；
• 2、LinkedHashMap 支持 FIFO 和 LRU 两种排序模式，默认是 FIFO 排序模式，即按照插入顺序排序。Android 中的 LruCache 内存缓存和 DiskLruCache 磁盘缓存也是直接复用 LinkedHashMap 提供的缓存管理能力。

LinkedHashMap 示意图

2. 认识 WeakHashMap

2.1 WeakReference 弱引用的特点

WeakHashMap 中的 “Weak” 指键 Key 是弱引用，也叫弱键。弱引用是 Java 四大引用类型之一，一共有四种引用类型，分别是强引用、软引用、弱引用和虚引用。我将它们的区别概括为 3 个维度：

• 维度 1 - 对象可达性状态的区别： 强引用指向的对象是强可达的，只有强可达的对象才会认为是存活的对象，才能保证在垃圾收集的过程中不会被回收；
• 维度 2 - 垃圾回收策略的区别： 不同的引用类型的回收激进程度不同，
  • 强引用指向的对象不会被回收；
  • 软引用指向的对象在内存充足时不会被回收，在内存不足时会被回收；
  • 弱引用和虚引用指向的对象无论在内存是否充足的时候都会被回收；
• 维度 3 - 感知垃圾回收时机： 当引用对象关联的实际对象被垃圾回收时，引用对象会进入关联的引用队列，程序可以通过观察引用队列的方式，感知对象被垃圾回收的时机。

感知垃圾回收示意图

2.2 WeakHashMap 的特点

WeakHashMap 是使用弱键的动态散列表，用于实现 “自动清理” 的内存缓存。

• 1、WeakHashMap 使用与 Java 7 HashMap 相同的 “数组 + 链表” 解决散列冲突，发生散列冲突的键值对会用头插法添加到单链表中；

• 2、WeakHashMap 依赖于 Java 垃圾收集器自动清理不可达对象的特性。当 Key 对象不再被持有强引用时，垃圾收集器会按照弱引用策略自动回收 Key 对象，并在下次访问 WeakHashMap 时清理全部无效的键值对。因此，WeakHashMap 特别适合实现 “自动清理” 的内存活动缓存，当键值对有效时保留，在键值对无效时自动被垃圾收集器清理；

• 3、需要注意，因为 WeakHashMap 会持有 Value 对象的强引用，所以在 Value 对象中一定不能持有 key 的强引用。否则，会阻止垃圾收集器回收 “本该不可达” 的 Key 对象，使得 WeakHashMap 失去作用。

• 4、与 HashMap 相同，LinkedHashMap 也不考虑线程同步，也会存在线程安全问题。可以使用 Collections.synchronizedMap 包装类，其原理也是在所有方法上增加 synchronized 关键字。

WeakHashMap 示意图

自动清理数据

2.3 说一下 WeakHashMap 与 HashMap 和 LinkedHashMap 的区别？

WeakHashMap 与 HashMap 都是基于分离链表法解决散列冲突的动态散列表，两者的主要区别在 键 Key 的引用类型上：

• HashMap 会持有键 Key 的强引用，除非手动移除，否则键值对会长期存在于散列表中；

• WeakHashMap 只持有键 Key 的弱引用，当 Key 对象不再被外部持有强引用时，键值对会被自动被清理。

WeakHashMap 与 LinkedHashMap 都有自动清理的能力，两者的主要区别在于 淘汰数据的策略上：

• LinkedHashMap 会按照 FIFO 或 LRU 的策略 “尝试” 淘汰数据，需要开发者重写 removeEldestEntry() 方法实现是否删除最早节点的判断逻辑；

• WeakHashMap 会按照 Key 对象的可达性淘汰数据，当 Key 对象不再被持有强引用时，会自动清理无效数据。

2.4 重建 Key 对象不等价的问题

WeakHashMap 的 Key 使用弱引用，也就是以 Key 作为清理数据的判断锚点，当 Key 变得不可达时会自动清理数据。此时，如果使用多个 equals 相等的 Key 对象访问键值对，就会出现第 1 个 Key 对象不可达导致键值对被回收，而第 2 个 Key 查询键值对为 null 的问题。 这说明 equals 相等的 Key 对象在 HashMap 等散列表中是等价的，但是在 WeakHashMap 散列表中是不等价的。

因此，如果 Key 类型没有重写 equals 方法，那么 WeakHashMap 就表现良好，否则会存在歧义。例如下面这个 Demo 中，首先创建了指向 image_url1 的图片 Key1，再重建了同样指向 image_url1 的图片 Key2。在 HashMap 中，Key1 和 Key2 等价，但在 WeakHashMap 中，Key1 和 Key2 不等价。

Demo

class ImageKey {
    private String url;

    ImageKey(String url) {
        this.url = url;
    }

    public boolean equals(Object obj) {
        return (obj instanceOf ImageKey) && Objects.equals(((ImageKey)obj).url, this.url);
    }
}

WeakHashMap<ImageKey, Bitmap> map = new WeakHashMap<>();
ImageKey key1 = new ImageKey("image_url1");
ImageKey key2 = new ImageKey("image_url2");
// key1 equalsTo key3
ImageKey key3 = new ImageKey("image_url1");

map.put(key1, bitmap1);
map.put(key2, bitmap2);

System.out.println(map.get(key1)); // 输出 bitmap1
System.out.println(map.get(key2)); // 输出 bitmap2
System.out.println(map.get(key3)); // 输出 bitmap1

// 使 key1 不可达，key3 保持
key1 = null;

// 说明重建 Key 与原始 Key 不等价
System.out.println(map.get(key1)); // 输出 null
System.out.println(map.get(key2)); // 输出 bitmap2
System.out.println(map.get(key3)); // 输出 null

默认的 Object#equals 是判断两个变量是否指向同一个对象：

Object.java

public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

2.5 Key 弱引用和 Value 弱引用的区别

不管是 Key 还是 Value 使用弱引用都可以实现自动清理，至于使用哪一种方法各有优缺点，适用场景也不同。

• Key 弱引用： 以 Key 作为清理数据的判断锚点，当 Key 不可达时清理数据。优点是容器外不需要持有 Value 的强引用，缺点是重建的 Key 与原始 Key 不等价，重建 Key 无法阻止数据被清理；

• Value 弱引用： 以 Value 作为清理数据的判断锚点，当 Value 不可达时清理数据。优点是重建 Key 与与原始 Key 等价，缺点是容器外需要持有 Value 的强引用。

举例 1： 在 Android Glide 图片框架的多级缓存中，因为图片的 EngineKey 是可重建的，存在多个 EngineKey 对象指向同一个图片 Bitmap，所以 Glide 最顶层的活动缓存采用的是 Value 弱引用。

EngineKey.java

class EngineKey implements Key {

    // 重写 equals
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (o instanceof EngineKey) {
            EngineKey other = (EngineKey) o;
            return model.equals(other.model)
                && signature.equals(other.signature)
                && height == other.height
                && width == other.width
                && transformations.equals(other.transformations)
                && resourceClass.equals(other.resourceClass)
                && transcodeClass.equals(other.transcodeClass)
                && options.equals(other.options);
        }
        return false;
    }
}

举例 2： 在 ThreadLocal 的 ThreadLocalMap 线程本地存储中，因为 ThreadLocal 没有重写 equals，不存在多个 ThreadLocal 对象指向同一个键值对的情况，所以 ThreadLocal 采用的是 Key 弱引用。

ThreadLocal.java

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
    
    // 未重写 equals
}

3. WeakHashMap 源码分析

这一节，我们来分析 WeakHashMap 中主要流程的源码。

事实上，WeakHashMap 就是照着 Java 7 版本的 HashMap 依葫芦画瓢的，没有树化的逻辑。考虑到我们已经对 HashMap 做过详细分析，所以我们没有必要重复分析 WeakHashMap 的每个细节，而是把重心放在 WeakHashMap 与 HashMap 不同的地方。

3.1 WeakHashMap 的属性

先用一个表格整理 WeakHashMap 的属性：

WeakHashMap.java

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

    // 默认数组容量
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    // 数组最大容量：2^30（高位 0100，低位都是 0）
    private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    // 默认装载因子上限：0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    // 底层数组
    Entry<K,V>[] table;

    // 键值对数量
    private int size;

    // 扩容阈值（容量 * 装载因子）
    private int threshold;

    // 装载因子上限
    private final float loadFactor;

    // 引用队列
    private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

    // 修改计数
    int modCount;

    // 链表节点（一个 Entry 等于一个键值对）
    private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
        // Key：与 HashMap 和 LinkedHashMap 相比，少了 key 的强引用
        // final K key;
        // Value（强引用）
        V value;
        // 哈希值
        final int hash;
        Entry<K,V> next;

        Entry(Object key, V value, ReferenceQueue<Object> queue, int hash, Entry<K,V> next) {
            super(key /*注意：只有 Key 是弱引用*/, queue);
            this.value = value;
            this.hash  = hash;
            this.next  = next;
        }
    }
}

WeakHashMap 与 HashMap 的属性几乎相同，主要区别有 2 个：

• 1、ReferenceQueue： WeakHashMap 的属性里多了一个 queue 引用队列；

• 2、Entry： WeakHashMap#Entry 节点继承于 WeakReference，表面看是 WeakHashMap 持有了 Entry 的强引用，其实不是。注意看 Entry 的构造方法，WeakReference 关联的实际对象是 Key。 所以，WeakHashMap 依然持有 Entry 和 Value 的强引用，仅持有 Key 的弱引用。

引用关系示意图

不出意外的话又有小朋友出来举手提问了🙋🏻‍♀️：

• 🙋🏻‍♀️疑问 1：说一下 ReferenceQueue queue 的作用?

ReferenceQueue 与 Reference 配合能够实现感知对象被垃圾回收的能力。在创建引用对象时可以关联一个实际对象和一个引用队列，当实现对象被垃圾回收后，引用对象会被添加到这个引用队列中。在 WeakHashMap 中，就是根据这个引用队列来自动清理无效键值对。

• 🙋🏻‍♀️疑问 2：为什么 Key 是弱引用，而不是 Entry 或 Value 是弱引用？

首先，Entry 一定要持有强引用，而不能持有弱引用。这是因为 Entry 是 WeakHashMap 内部维护数据结构的实现细节，并不会暴露到 WeakHashMap 外部，即除了 WeakHashMap 本身之外没有其它地方持有 Entry 的强引用。所以，如果持有 Entry 的弱引用，即使 WeakHashMap 外部依然在使用 Key 对象，WeakHashMap 内部依然会回收键值对，这与预期不符。

其次，不管是 Key 还是 Value 使用弱引用都可以实现自动清理。至于使用哪一种方法各有优缺点，适用场景也不同，这个在前文分析过了。

3.2 WeakHashMap 如何清理无效数据？

在通过 put / get /size 等方法访问 WeakHashMap 时，其内部会调用 expungeStaleEntries() 方法清理 Key 对象已经被回收的无效键值对。其中会遍历 ReferenceQueue 中持有的弱引用对象（即 Entry 节点），并将该结点从散列表中移除。

private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

// 添加键值对
public V put(K key, V value) {
    ...
    // 间接 expungeStaleEntries()
    Entry<K,V>[] tab = getTable();
    ...
}

// 扩容
void resize(int newCapacity) {
    // 间接 expungeStaleEntries()
    Entry<K,V>[] oldTable = getTable();
    ...
}

// 获取键值对
public V get(Object key) {
    ...
    // 间接 expungeStaleEntries()
    Entry<K,V>[] tab = getTable();
    ...
}

private Entry<K,V>[] getTable() {
    // 清理无效键值对
    expungeStaleEntries();
    return table;
}

// ->清理无效键值对
private void expungeStaleEntries() {
    // 遍历引用队列
    for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) {
        // 疑问 3：既然 WeakHashMap 不考虑线程同步，为什么这里要做加锁，岂不是突兀？
        synchronized (queue) {
            Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x;
            // 根据散列值定位数组下标
            int i = indexFor(e.hash /*散列值*/, table.length);
            // 遍历桶寻找节点 e 的前驱结点
            Entry<K,V> prev = table[i];
            Entry<K,V> p = prev;
            while (p != null) {
                Entry<K,V> next = p.next;
                if (p == e) {
                    // 删除节点 e
                    if (prev == e)					
                        // 节点 e 是根节点
                        table[i] = next;
                    else
                        // 节点 e 是中间节点
                        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;
            }
        }
    }
}

4. 总结

• 1、WeakHashMap 使用与 Java 7 HashMap 相同的 “数组 + 链表” 解决散列冲突，发生散列冲突的键值对会用头插法添加到单链表中；

• 2、WeakHashMap 能够实现 “自动清理” 的内存缓存，其中的 “Weak” 指键 Key 是弱引用。当 Key 对象不再被持有强引用时，垃圾收集器会按照弱引用策略自动回收 Key 对象，并在下次访问 WeakHashMap 时清理全部无效的键值对；

• 3、WeakHashMap 和 LinkedHashMap 都具备 “自动清理” 的 能力，WeakHashMap 根据 Key 对象的可达性淘汰数据，而 LinkedHashMap 根据 FIFO 或 LRU 策略尝试淘汰数据；

• 4、WeakHashMap 使用 Key 弱引用，会存在重建 Key 对象不等价问题。