死磕 java集合之WeakHashMap源码分析
简介
WeakHashMap是一种弱引用map，内部的key会存储为弱引用，当jvm gc的时候，如果这些key没有强引用存在的话，会被gc回收掉，下一次当我们操作map的时候会把对应的Entry整个删除掉，基于这种特性，WeakHashMap特别适用于缓存处理。
继承体系
可见，WeakHashMap没有实现Clone和Serializable接口，所以不具有克隆和序列化的特性。
存储结构
WeakHashMap因为gc的时候会把没有强引用的key回收掉，所以注定了它里面的元素不会太多，因此也就不需要像HashMap那样元素多的时候转化为红黑树来处理了。
因此，WeakHashMap的存储结构只有（数组 + 链表）。
源码解析
属性
/** * 默认初始容量为16 */private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/** * 最大容量为2的30次方 */private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/** * 默认装载因子 */private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/** * 桶 */Entry<K,V>[] table;
/** * 元素个数 */private int size;
/** * 扩容门槛，等于capacity * loadFactor */private int threshold;
/** * 装载因子 */private final float loadFactor;
/** * 引用队列，当弱键失效的时候会把Entry添加到这个队列中 */private final ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();（1）容量
容量为数组的长度，亦即桶的个数，默认为16，最大为2的30次方，当容量达到64时才可以树化。
（2）装载因子
装载因子用来计算容量达到多少时才进行扩容，默认装载因子为0.75。
（3）引用队列
当弱键失效的时候会把Entry添加到这个队列中，当下次访问map的时候会把失效的Entry清除掉。
Entry内部类
WeakHashMap内部的存储节点, 没有key属性。
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> { // 可以发现没有key, 因为key是作为弱引用存到Referen类中 V value; final int hash; Entry<K,V> next;
Entry(Object key, V value, ReferenceQueue<Object> queue, int hash, Entry<K,V> next) { // 调用WeakReference的构造方法初始化key和引用队列 super(key, queue); this.value = value; this.hash = hash; this.next = next; }}
public class WeakReference<T> extends Reference<T> { public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) { // 调用Reference的构造方法初始化key和引用队列 super(referent, q); }}
public abstract class Reference<T> { // 实际存储key的地方 private T referent; /* Treated specially by GC */ // 引用队列 volatile ReferenceQueue<? super T> queue;
Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) { this.referent = referent; this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue; }}从Entry的构造方法我们知道，key和queue最终会传到到Reference的构造方法中，这里的key就是Reference的referent属性，它会被gc特殊对待，即当没有强引用存在时，当下一次gc的时候会被清除。
构造方法
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; 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);}构造方法与HashMap基本类似，初始容量为大于等于传入容量最近的2的n次方，扩容门槛threshold等于capacity * loadFactor。
put(K key, V value)方法
添加元素的方法。
public V put(K key, V value) { // 如果key为空，用空对象代替 Object k = maskNull(key); // 计算key的hash值 int h = hash(k); // 获取桶 Entry<K,V>[] tab = getTable(); // 计算元素在哪个桶中，h & (length-1) int i = indexFor(h, tab.length);
// 遍历桶对应的链表 for (Entry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) { if (h == e.hash && eq(k, e.get())) { // 如果找到了元素就使用新值替换旧值，并返回旧值 V oldValue = e.value; if (value != oldValue) e.value = value; return oldValue; } }
modCount++; // 如果没找到就把新值插入到链表的头部 Entry<K,V> e = tab[i]; tab[i] = new Entry<>(k, value, queue, h, e); // 如果插入元素后数量达到了扩容门槛就把桶的数量扩容为2倍大小 if (++size >= threshold) resize(tab.length * 2); return null;}（1）计算hash；
这里与HashMap有所不同，HashMap中如果key为空直接返回0，这里是用空对象来计算的。
另外打散方式也不同，HashMap只用了一次异或，这里用了四次，HashMap给出的解释是一次够了，而且就算冲突了也会转换成红黑树，对效率没什么影响。
（2）计算在哪个桶中；
（3）遍历桶对应的链表；
（4）如果找到元素就用新值替换旧值，并返回旧值；
（5）如果没找到就在链表头部插入新元素；
HashMap就插入到链表尾部。
（6）如果元素数量达到了扩容门槛，就把容量扩大到2倍大小；
HashMap中是大于threshold才扩容，这里等于threshold就开始扩容了。
resize(int newCapacity)方法
扩容方法。
void resize(int newCapacity) { // 获取旧桶，getTable()的时候会剔除失效的Entry Entry<K,V>[] oldTable = getTable(); // 旧容量 int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; }
// 新桶 Entry<K,V>[] newTable = newTable(newCapacity); // 把元素从旧桶转移到新桶 transfer(oldTable, newTable); // 把新桶赋值桶变量 table = newTable;
/* * If ignoring null elements and processing ref queue caused massive * shrinkage, then restore old table. This should be rare, but avoids * unbounded expansion of garbage-filled tables. */ // 如果元素个数大于扩容门槛的一半，则使用新桶和新容量，并计算新的扩容门槛 if (size >= threshold / 2) { threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); } else { // 否则把元素再转移回旧桶，还是使用旧桶 // 因为在transfer的时候会清除失效的Entry，所以元素个数可能没有那么大了，就不需要扩容了 expungeStaleEntries(); transfer(newTable, oldTable); table = oldTable; }}
private void transfer(Entry<K,V>[] src, Entry<K,V>[] dest) { // 遍历旧桶 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(); // 如果key等于了null就清除，说明key被gc清理掉了，则把整个Entry清除 if (key == null) { e.next = null; // Help GC e.value = null; // " " size--; } else { // 否则就计算在新桶中的位置并把这个元素放在新桶对应链表的头部 int i = indexFor(e.hash, dest.length); e.next = dest[i]; dest[i] = e; } e = next; } }}（1）判断旧容量是否达到最大容量；
（2）新建新桶并把元素全部转移到新桶中；
（3）如果转移后元素个数不到扩容门槛的一半，则把元素再转移回旧桶，继续使用旧桶，说明不需要扩容；
（4）否则使用新桶，并计算新的扩容门槛；
（5）转移元素的过程中会把key为null的元素清除掉，所以size会变小；
get(Object key)方法
获取元素。
public V get(Object key) { Object k = maskNull(key); // 计算hash int h = hash(k); Entry<K,V>[] tab = getTable(); int index = indexFor(h, tab.length); Entry<K,V> e = tab[index]; // 遍历链表，找到了就返回 while (e != null) { if (e.hash == h && eq(k, e.get())) return e.value; e = e.next; } return null;}（1）计算hash值；
（2）遍历所在桶对应的链表；
（3）如果找到了就返回元素的value值；
（4）如果没找到就返回空；
remove(Object key)方法
移除元素。
public V remove(Object key) { Object k = maskNull(key); // 计算hash int h = hash(k); Entry<K,V>[] tab = getTable(); int i = indexFor(h, tab.length); // 元素所在的桶的第一个元素 Entry<K,V> prev = tab[i]; Entry<K,V> e = prev;
// 遍历链表 while (e != null) { Entry<K,V> next = e.next; if (h == e.hash && eq(k, e.get())) { // 如果找到了就删除元素 modCount++; size--;
if (prev == e) // 如果是头节点，就把头节点指向下一个节点 tab[i] = next; else // 如果不是头节点，删除该节点 prev.next = next; return e.value; } prev = e; e = next; }
return null;}（1）计算hash；
（2）找到所在的桶；
（3）遍历桶对应的链表；
（4）如果找到了就删除该节点，并返回该节点的value值；
（5）如果没找到就返回null；
expungeStaleEntries()方法
剔除失效的Entry。
private void expungeStaleEntries() { // 遍历引用队列 for (Object x; (x = queue.poll()) != null; ) { synchronized (queue) { @SuppressWarnings("unchecked") Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) x; int i = indexFor(e.hash, table.length); // 找到所在的桶 Entry<K,V> prev = table[i]; Entry<K,V> p = prev; // 遍历链表 while (p != null) { Entry<K,V> next = p.next; // 找到该元素 if (p == e) { // 删除该元素 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; // Help GC size--; break; } prev = p; p = next; } } }}（1）当key失效的时候gc会自动把对应的Entry添加到这个引用队列中；
（2）所有对map的操作都会直接或间接地调用到这个方法先移除失效的Entry，比如getTable()、size()、resize()；
（3）这个方法的目的就是遍历引用队列，并把其中保存的Entry从map中移除掉，具体的过程请看类注释；
（4）从这里可以看到移除Entry的同时把value也一并置为null帮助gc清理元素，防御性编程。
使用案例
说了这么多，不举个使用的例子怎么过得去。
package com.coolcoding.code;
import java.util.Map;import java.util.WeakHashMap;
public class WeakHashMapTest {
public static void main(String[] args) { Map<String, Integer> map = new WeakHashMap<>(3);
// 放入3个new String()声明的字符串 map.put(new String("1"), 1); map.put(new String("2"), 2); map.put(new String("3"), 3);
// 放入不用new String()声明的字符串 map.put("6", 6);
// 使用key强引用"3"这个字符串 String key = null; for (String s : map.keySet()) { // 这个"3"和new String("3")不是一个引用 if (s.equals("3")) { key = s; } }
// 输出{6=6, 1=1, 2=2, 3=3}，未gc所有key都可以打印出来 System.out.println(map);
// gc一下 System.gc();
// 放一个new String()声明的字符串 map.put(new String("4"), 4);
// 输出{4=4, 6=6, 3=3}，gc后放入的值和强引用的key可以打印出来 System.out.println(map);
// key与"3"的引用断裂 key = null;
// gc一下 System.gc();
// 输出{6=6}，gc后强引用的key可以打印出来 System.out.println(map);}}在这里通过new String()声明的变量才是弱引用，使用"6"这种声明方式会一直存在于常量池中，不会被清理，所以"6"这个元素会一直在map里面，其它的元素随着gc都会被清理掉。
总结
（1）WeakHashMap使用（数组 + 链表）存储结构；
（2）WeakHashMap中的key是弱引用，gc的时候会被清除；
（3）每次对map的操作都会剔除失效key对应的Entry；
（4）使用String作为key时，一定要使用new String()这样的方式声明key，才会失效，其它的基本类型的包装类型是一样的；
（5）WeakHashMap常用来作为缓存使用；
带详细注释的源码地址
WeakHashMap.java
彩蛋
强、软、弱、虚引用知多少？
（1）强引用
使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，它绝对不会被gc回收。如果内存空间不足了，gc宁愿抛出OutOfMemoryError，也不是会回收具有强引用的对象。
（2）软引用
如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够时不会回收它，但内存空间不够时就会回收这部分对象。只要这个具有软引用对象没有被回收，程序就可以正常使用。
（3）弱引用
如果一个对象只具有弱引用，则不管内存空间够不够，当gc扫描到它时就会回收它。
（4）虚引用
如果一个对象只具有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，任何时候都可能被gc回收。
软（弱、虚）引用必须和一个引用队列（ReferenceQueue）一起使用，当gc回收这个软（弱、虚）引用引用的对象时，会把这个软（弱、虚）引用放到这个引用队列中。
比如，上述的Entry是一个弱引用，它引用的对象是key，当key被回收时，Entry会被放到queue中。