WeakHashMap ReferenceQueue java

WeakHashMap，此种Map的特点是，当除了自身有对key的引用外，此key没有其他引用那么此map会自动丢弃此值，

见实例：此例子中声明了两个Map对象，一个是HashMap，一个是WeakHashMap，同时向两个map中放入a、b两个对象，当HashMap  remove掉a 并且将a、b都指向null时，WeakHashMap中的a将自动被回收掉。出现这个状况的原因是，对于a对象而言，当HashMap  remove掉并且将a指向null后，除了WeakHashMap中还保存a外已经没有指向a的指针了，所以WeakHashMap会自动舍弃掉a，而对于b对象虽然指向了null，但HashMap中还有指向b的指针，所以WeakHashMap将会保留。

package test;  
  
import java.util.HashMap;  
import java.util.Iterator;  
import java.util.Map;  
import java.util.WeakHashMap;  
  
public class Test {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        String a = new String("a");  
        String b = new String("b");  
        Map weakmap = new WeakHashMap();  
        Map map = new HashMap();  
        map.put(a, "aaa");  
        map.put(b, "bbb");  
  
          
        weakmap.put(a, "aaa");  
        weakmap.put(b, "bbb");  
          
        map.remove(a);  
          
        a=null;  
        b=null;  
          
        System.gc();  
        Iterator i = map.entrySet().iterator();  
        while (i.hasNext()) {  
            Map.Entry en = (Map.Entry)i.next();  
            System.out.println("map:"+en.getKey()+":"+en.getValue());  
        }  
  
        Iterator j = weakmap.entrySet().iterator();  
        while (j.hasNext()) {  
            Map.Entry en = (Map.Entry)j.next();  
            System.out.println("weakmap:"+en.getKey()+":"+en.getValue());  
              
        }  
    }  
  
      
} 

在《Effective Java 2nd Edition》中，第6条“消除过期的对象引用”提到，虽然Java有 垃圾回收机制，但是只要是自己管理的内存，就应该警惕内存泄露的问题，例如的对象池、缓存中的过期对象都有可能引发内存泄露的问题。书中还提到可以用 WeakHashMap来作为缓存的容器可以有效解决这一问题。之前也确实遇到过类似问题，但是没有接触过“弱引用”相关的问题，于是查阅了一些资料。    《Java 理论与实践： 用弱引用堵住内存泄漏》一文也指出了使用全局的Map作为缓存容器时发生的内存泄露问题，介绍了如何使用hprof工具来找出内存泄露，并分析了如何使用 弱引用来防止内存泄露，还分析了WeakHashMap的关键代码，非常有参考价值。但是这篇文章遗漏了几个很重要的需要注意的地方，也缺少一段实验代 码，本文将会做出适当补充。
    1、四种引用
    从JDK1.2版本开始，把对象的引用分为四种级别，从而使程序能更加灵活的控制对象的生命周期。这四种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。
    强引用：平时我们编程的时候例如：Object object=new Object（）；那object就是一个强引用了。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。
    软引用（SoftReference）：如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可物的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存 空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。 软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联 的引用队列中。
    弱引用（WeakReference）：如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可物的生活用品。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更 短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它 所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。  弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联 的引用队列中。
    虚引用（PhantomReference）：“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象 仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。 虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队 列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。
    2、WeakHashMap源码分析
    WeakHashMap维护了一个ReferenceQueue，保存了所有存在引用的Key对象。
    

private final ReferenceQueue<K> queue = new ReferenceQueue<K>（）；
    WeakHashMap.Entry<K,V>中并没有保存Key，只是将Key与ReferenceQueue关联上了。
    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;
    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;
    }
    ……
    }

 
    WeakHashMap中有一个私有的expungeStaleEntries（）方法，会在大部分共有方法中被调用。这个方法会将ReferenceQueue中所有失效的引用从Map中去除。
   

 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;
    }
    }
    }

 
    3、几个需要注意的地方
    WeakHashMap的Key是弱引用，Value不是。
    WeakHashMap不会自动释放失效的弱引用，仅当包含了expungeStaleEntries（）的共有方法被调用的时候才会释放

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;
             }
         }
     }

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