深入WeakHashMap
WeakHashMap
最近工作中碰到了java.util.WeakHashMap<K, V>，不解其中奥妙，遂查个究竟，顺带记录下来
Java引用类型
首先需要了解Java四种引用类型：
强引用(StrongReference)
强引用是使用最普遍的引用，平时我们常写的A a = new A();就是强引用
GC不会回收强引用，即使内存不足的情况下也不会，宁可OOM
软引用(SoftReference)
SoftReference 的主要特点是具有较强的引用功能。
只有当内存不够的时候才进行回收，而在内存足够的时候，通常不被回收。
另外，引用对象还能保证在 Java 抛出 OutOfMemoryError 之前，被设置为null。
软引用的使用可以参考guava-cache
弱引用(WeakReference)
WeakReference 在垃圾回收器运行时，一定会被回收，而不像 SoftReference 需要条件。但是，若对象的引用关系复杂，则可能需要多次回收才能达到目的。
虚引用(PhantomReference)
PhantomReference 主 要 用 于 辅 助 finalize 方法。
PhantomReference 对象执行完了 finalize 方法后，成为 Unreachable Objects。
但还未被回收，在此时，可以辅助 finalize 进行一些后期的回收工作。
WeakHashMap中怎么实现Weak?
大家都知道Map用Entry存储数据，看看WeakHashMap实现细节
Put部分的代码如下:
Entry<K,V> e = tab[i]; tab[i] = new Entry<K,V>(k, value, queue, h, e); if (++size >= threshold) resize(tab.length * 2);
下面是WeakHashMap的Entry实现，继承了WeakReference
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<K> implements Map.Entry<K,V> {
private V value;
private final int hash;
private Entry<K,V> next;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(K key, V value,
ReferenceQueue<K> queue,
int hash, Entry<K,V> next) {
super(key, queue);
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
将Key处理成Reference:
Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
this.referent = referent;
this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
}
与HashMap比较一下，Entry不直接引用Key这个对象，而是将引用关系放到了父类WeakReference中，可以看出WeakHashMap将传入的key包装成了WeakReference，并传入了一个ReferenceQueue;但是弱引用的实现细节还是不清楚，接着扒。。。
Key如何清理
Reference类中有一段static代码
static private class Lock { };
private static Lock lock = new Lock();
private static Reference pending = null;
static {
ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
for (ThreadGroup tgn = tg;
tgn != null;
tg = tgn, tgn = tg.getParent());
Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");
/* If there were a special system-only priority greater than
* MAX_PRIORITY, it would be used here
*/
handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
handler.setDaemon(true);
handler.start();
}
线程的优先级设成MAX，是一个什么样的线程需要如此高的权限？pending 、lock 都被static声明，lock.wait之后谁来唤醒，互联网上一顿搜罗，才明白JVM参与了这些事。
用通俗的话把JVM干的事串一下： 假设，WeakHashMap对象里面已经保存了很多对象的引用。JVM使用进行CMS GC的时候，会创建一个ConcurrentMarkSweepThread（简称CMST）线程去进行GC，ConcurrentMarkSweepThread线程被创建的同时会创建一个SurrogateLockerThread（简称SLT）线程并且启动它，SLT启动之后，处于等待阶段。CMST开始GC时，会发一个消息给SLT让它去获取Java层Reference对象的全局锁：lock。直到CMS GC完毕之后，JVM会将WeakHashMap中所有被回收的对象所属的WeakReference容器对象放入到Reference的pending 属性当中（每次GC完毕之后，pending属性基本上都不会为null了），然后通知SLT释放并且notify全局锁: lock。此时激活了ReferenceHandler线程的run方法，使其脱离wait状态，开始工作了。ReferenceHandler这个线程会将pending中的所有WeakReference对象都移动到它们各自的列队当中，比如当前这个WeakReference属于某个WeakHashMap对象，那么它就会被放入相应的ReferenceQueue列队里面（该列队是链表结构）。
想要了解具体细节，再深扒一下openjdk的源码instanceRefKlass.cpp获得lock部分
void instanceRefKlass::acquire_pending_list_lock(BasicLock *pending_list_basic_lock) {
// we may enter this with pending exception set
PRESERVE_EXCEPTION_MARK; // exceptions are never thrown, needed for TRAPS argument
Handle h_lock(THREAD, java_lang_ref_Reference::pending_list_lock());
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_lock, pending_list_basic_lock, false, THREAD);
assert(ObjectSynchronizer::current_thread_holds_lock(
JavaThread::current(), h_lock),
"Locking should have succeeded");
if (HAS_PENDING_EXCEPTION) CLEAR_PENDING_EXCEPTION;
}
Gc完成后， pending赋值，lock释放
void instanceRefKlass::release_and_notify_pending_list_lock(
BasicLock *pending_list_basic_lock) {
// we may enter this with pending exception set
PRESERVE_EXCEPTION_MARK; // exceptions are never thrown, needed for TRAPS argument
//
Handle h_lock(THREAD, java_lang_ref_Reference::pending_list_lock());
assert(ObjectSynchronizer::current_thread_holds_lock(
JavaThread::current(), h_lock),
"Lock should be held");
// Notify waiters on pending lists lock if there is any reference.
if (java_lang_ref_Reference::pending_list() != NULL) {
ObjectSynchronizer::notifyall(h_lock, THREAD);
}
ObjectSynchronizer::fast_exit(h_lock(), pending_list_basic_lock, THREAD);
if (HAS_PENDING_EXCEPTION) CLEAR_PENDING_EXCEPTION;
}
lock释放后， ReferenceHandler线程进入正常运转，将 pending 中的Reference对象压入了各自的 ReferenceQueue中
private static class ReferenceHandler extends Thread {
ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {
super(g, name);
}
public void run() {
for (;;) {
Reference r;
synchronized (lock) {
if (pending != null) {
r = pending;
Reference rn = r.next;
pending = (rn == r) ? null : rn;
r.next = r;
} else {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException x) { }
continue;
}
}
// Fast path for cleaners
if (r instanceof Cleaner) {
((Cleaner)r).clean();
continue;
}
ReferenceQueue q = r.queue;
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
}
}
}
上面部分讲了JVM在GC的时候帮我们把WeakHashMap中的key的内存释放掉了，那么 WeakHashMap中Entry数据怎么释放，看看 WeakHashMap的 ReferenceQueue怎么起的作用？
Entry如何清理
当GC之后，WeakHashMap对象里面get、put数据或者调用size方法的时候，WeakHashMap比HashMap多了一个 expungeStaleEntries()方法
private void expungeStaleEntries() {
Entry<K,V> e;
while ( (e = (Entry<K,V>) queue.poll()) != null) {
int h = e.hash;
int i = indexFor(h, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> p = prev;
while (p != null) {
Entry<K,V> next = p.next;
if (p == e) {
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.next = null; // Help GC
e.value = null; // " "
size--;
break;
}
prev = p;
p = next;
}
}
}
expungeStaleEntries方法 就是将ReferenceQueue列队中的WeakReference依依poll出来去和Entry[]数据做比较，如果发现相同的，则说明这个Entry所保存的对象已经被GC掉了，那么将Entry[]内的Entry对象剔除掉，这样就把被GC掉的 WeakReference对应的Entry从WeakHashMap中移除了。
最后
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> data = new WeakHashMap<String, String>();
data.put("123", "123");
data.put("124", "124");
data.put("125", "125");
data.put("126", "126");
System.gc();
data.size();
System.out.println(data);
}
代码中显式的调用System.gc()之后，data中的数据被清空了吗？答案是没有
经过测试一次gc未必能完全回收所有的weakreference对象，weakreference也有可能出现在old区，至于为什么就要看GC的策略