【集合框架WeakHashMap】

💡 摘要：你是否遇到过这样的需求——希望一个缓存能自动清理“不再被使用的对象”，而无需手动维护？ 或者在框架开发中，想为某些对象附加元数据，但又不希望“因为缓存引用”而导致对象无法被回收？ 这时，WeakHashMap 就是你的最佳选择。 它是一种特殊的 Map，其键是弱引用（WeakReference），当键不再被外部引用时，即使 Map 本身还存在，该键值对也会被自动清理。 本文将带你深入理解 WeakHashMap 的设计思想、底层实现、典型应用场景，并对比它与 HashMap 和 IdentityHashMap 的差异，最后附上面试高频问题解析，助你彻底掌握这一“自动清理”的集合类。

一、WeakHashMap 是什么？为什么需要它？

在 Java 中，普通的 Map（如 HashMap）会对键和值保持强引用，这意味着：

Map<Key, Value> map = new HashMap<>();
Key key = new Key();
map.put(key, new Value());

key = null; // 试图让 key 被回收
// 但 map 内部仍持有 key 的强引用，GC 无法回收 key！

这会导致内存泄漏，尤其是在用作缓存时：即使外部不再使用某个键，它仍被 Map 持有，无法释放。

而 WeakHashMap 的设计目标就是解决这个问题：

✅ 当键（key）不再被外部强引用时，即使 WeakHashMap 本身还存在，该键值对也会被自动清除。

这使得 WeakHashMap 非常适合用于缓存、元数据存储、监听器注册等场景。

1. 核心特性一句话总结

WeakHashMap 是一个基于弱引用键的 Map，它不会阻止键对象被垃圾回收器（GC）回收。

2. 典型使用场景

✅ 场景一：内存敏感的缓存

WeakHashMap<ExpensiveObject, Metadata> cache = new WeakHashMap<>();

当 ExpensiveObject 不再被任何地方引用时，GC 会自动回收它，同时 WeakHashMap 会自动清理对应的缓存项，无需手动维护。

✅ 场景二：为对象附加元数据（如 AOP、序列化）

WeakHashMap<Object, MyMetadata> metadataMap = new WeakHashMap<>();

即使 Object 被回收，metadataMap 也不会阻止它，元数据会自动清理。

✅ 场景三：事件监听器管理

WeakHashMap<EventListener, EventConfig> listeners = new WeakHashMap<>();

防止监听器因被 Map 强引用而无法被回收，避免内存泄漏。

二、WeakHashMap vs HashMap vs IdentityHashMap

三、底层实现原理剖析

1. 核心机制：弱引用（WeakReference）

WeakHashMap 的键被包装在 WeakReference 中：

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<K> implements Map.Entry<K,V> {
    V value;
    final int hash;
    Entry<K,V> next;
    // ...
}

• Entry 继承自 WeakReference<K>，其 referent 字段指向键对象。
• 当外部不再有强引用指向该键时，GC 会在下次回收时将其标记为可回收。
• WeakHashMap 通过 ReferenceQueue 检测哪些 Entry 的键已被回收，并在适当时机清理它们。

2. ReferenceQueue：垃圾回收的“通知机制”

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

• WeakHashMap 内部维护一个 ReferenceQueue。
• 每次创建 Entry 时，都会将其注册到 queue 中。
• 当某个键被 GC 回收时，对应的 Entry 会被放入 queue。
• WeakHashMap 在 get、put、size 等方法中，会主动清理 queue 中的失效 Entry。

// 源码片段：清理失效的 Entry
private void expungeStaleEntries() {
    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);
            // 从哈希桶中移除 e
        }
    }
}

🔥 关键点：清理不是 GC 自动完成的，而是 WeakHashMap 在操作时主动触发的。

3. 为什么值（value）不是弱引用？

V value; // 普通强引用

• 值是强引用，但如果键被回收，整个 Entry 会被清理，值自然也被释放。
• 如果值也是弱引用，会导致“值比键先被回收”，逻辑混乱。
• 所以，只要键被回收，整个键值对就会被移除。

四、使用示例与注意事项

1. 基本使用

WeakHashMap<String, Integer> map = new WeakHashMap<>();

String key = new String("hello");
map.put(key, 100);

System.out.println(map.size()); // 输出 1

key = null; // 移除强引用

// 强制触发 GC（仅用于演示）
System.gc();
Thread.sleep(100);

System.out.println(map.size()); // 很可能输出 0（取决于 GC 是否执行）

⚠️ 注意：System.gc() 不保证立即执行，WeakHashMap 的清理依赖 GC 和后续的 expungeStaleEntries() 调用。

2. 实际应用：缓存元数据

public class MetadataManager {
    private final WeakHashMap<Object, Metadata> cache = new WeakHashMap<>();

    public Metadata getMetadata(Object obj) {
        Metadata meta = cache.get(obj);
        if (meta == null) {
            meta = computeMetadata(obj);
            cache.put(obj, meta);
        }
        return meta;
    }

    private Metadata computeMetadata(Object obj) {
        // 耗时计算...
        return new Metadata();
    }
}

当 obj 被回收时，其元数据也会自动从缓存中清除。

五、线程安全与并发访问

WeakHashMap 不是线程安全的。多线程并发访问需外部同步：

WeakHashMap<Object, Object> map = Collections.synchronizedMap(
    new WeakHashMap<>()
);

或者使用 ConcurrentHashMap + WeakReference 的组合方案。

六、性能与适用场景总结

✅ 优势：自动清理，防止内存泄漏 ❌ 缺点：依赖 GC，清理时机不可控；不适合关键数据存储

七、注意事项与最佳实践

❗ 注意事项

不要依赖 WeakHashMap 立即清理：GC 时机不可控，清理可能延迟。

避免用字符串字面量作键：

map.put("key", value); // "key" 在常量池，永不被回收！

不能用于保存重要状态：可能随时被清理。

迭代时可能看到已失效的条目：需结合 containsKey 判断。

💡 最佳实践

• 用于缓存、元数据、监听器注册等“可丢失”数据场景
• 配合 SoftReference 使用（SoftHashMap 可自定义实现）
• 在 get 后判断是否为 null，做好重建准备

八、面试高频问题解析

❓1. WeakHashMap 的键是弱引用，那值呢？

答： 值是强引用。但当键被 GC 回收后，整个 Entry 会被清理，值自然也被释放。 如果值也是弱引用，会导致“值先被回收而键还在”的混乱状态，因此值保持强引用。

❓2. WeakHashMap 是如何知道键被回收的？

答： 它使用 ReferenceQueue。 每个 Entry（继承 WeakReference）被创建时注册到 queue。 当键被 GC 回收时，Entry 会被放入 queue。 WeakHashMap 在 get、put、size 等方法中调用 expungeStaleEntries()，主动清理 queue 中的失效 Entry。

❓3. WeakHashMap 和 HashMap 的结构有什么区别？

答： 结构基本相同：都是数组 + 链表/红黑树。 区别在于 Entry 的实现：

• HashMap.Entry 普通类
• WeakHashMap.Entry 继承 WeakReference<K>，并关联 ReferenceQueue

❓4. WeakHashMap 适合做缓存吗？有什么缺点？

答： 适合做内存敏感的短期缓存。 优点：自动清理，防止内存泄漏。 缺点：

• 清理依赖 GC，时机不可控
• 可能刚放进去就被回收（尤其在内存充足时 GC 不触发）
• 不适合长期缓存或关键数据

❓5. 为什么 String 字面量不适合作为 WeakHashMap 的键？

答： 因为字符串字面量（如 "hello"）存储在字符串常量池中，JVM 会持有强引用，永远不会被 GC 回收。 即使你设置 key = null，常量池中的字符串依然存在，WeakHashMap 永远不会清理它，失去了“弱引用”的意义。

❓6. WeakHashMap 的 size() 方法准确吗？

答： 不一定实时准确。 size() 返回的是当前 Entry 数量，但可能包含已失效但尚未清理的 Entry。 只有在调用 expungeStaleEntries() 后，size() 才会反映真实情况。 因此，size() 更像是“上限估计值”。

九、总结

WeakHashMap 是 Java 集合中一个“智能自动清理”的工具。 它通过弱引用 + ReferenceQueue 的机制，实现了“当键不再被使用时，自动删除键值对”的能力。 虽然它不适合所有场景，但在缓存、元数据管理、监听器注册等“可丢失”数据的领域，它是无可替代的。

掌握 WeakHashMap，不仅是掌握一个集合类，更是理解了 Java 引用机制、GC 协作、内存管理的深层设计。