今天一起来看下java.util包里的WeakHashMap工具类。

WeakHashMap的定义如下：

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

简单来说，WeakHashMap实现了Map接口，基于hash-table实现，在这种Map中，key的类型是WeakReference。如果对应的key被回收，则这个key指向的对象会被从Map容器中移除。

WeakHashMap跟普通的HashMap不同，WeakHashMap的行为一定程度上基于垃圾收集器的行为，因此一些Map数据结构对应的常识在WeakHashMap上会失效——size()方法的返回值会随着程序的运行变小，isEmpty()方法的返回值会从false变成true等等。

强引用、软引用和弱引用

“引用”，在Java中指的是一个对象对另一对象的使用（指向）。WeakHashMap中的键的类型是WeakReference，在Java中还有另外两种引用：强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）。

强引用

被强引用指向的对象，绝对不会被垃圾收集器回收。Integer prime = 1;，这个语句中prime对象就有一个强引用。

软引用

被SoftReference指向的对象可能会被垃圾收集器回收，但是只有在JVM内存不够的情况下才会回收；如下代码可以创建一个软引用：

Integer prime = 1; 
SoftReference<Integer> soft = new SoftReference<Integer>(prime);
prime = null;

弱引用

当一个对象仅仅被WeakReference引用时，在下个垃圾收集周期时候该对象就会被回收。我们通过下面代码创建一个WeakReference：

Integer prime = 1; 
WeakReference<Integer> soft = new WeakReference<Integer>(prime);
prime = null;

当把prime赋值为null的时候，原prime对象会在下一个垃圾收集周期中被回收，因为已经没有强引用指向它。

利用WeakHashMap实现内存缓存

可以看出，WeakHashMap的这种特性比较适合实现类似本地、堆内缓存的存储机制——缓存的失效依赖于GC收集器的行为。假设一种应用场景：我们需要保存一批大的图片对象，其中values是图片的内容，key是图片的名字，这里我们需要选择一种合适的容器保存这些对象。

使用普通的HashMap并不是好的选择，这些大对象将会占用很多内存，并且还不会被GC回收，除非我们在对应的key废弃之前主动remove掉这些元素。WeakHashMap非常适合使用在这种场景下，下面的代码演示了具体的实现：

WeakHashMap<UniqueImageName, BigImage> map = new WeakHashMap<>();
BigImage bigImage = new BigImage("image_id");
UniqueImageName imageName = new UniqueImageName("name_of_big_image"); //强引用

map.put(imageName, bigImage);
assertTrue(map.containsKey(imageName));

imageName = null; //map中的values对象成为弱引用对象
System.gc(); //主动触发一次GC

await().atMost(10, TimeUnit.SECONDS).until(map::isEmpty);

首先，创建一个WeakHashMap对象来存储BigImage实例，对应的key是UniqueImageName对象，保存到WeakHashMap里的时候，key是一个弱引用类型。

然后，我们将imageName设置为null，这样就没有其他强引用指向bigImage对象，按照WeakHashMap的规则，在下一次GC周期中会回收bigImage对象。

通过System.gc()主动触发一次GC过程，然后可以发现WeakHashMap成为空的了。

总结

本文从WeakHashMap的定义讲起，又通过介绍Java中的三种引用类型来理解WeakHashMap的工作原理，最后利用一个存储大对象的例子演示了WeakHashMap的应用场景。本文中提到的代码，可以在GitHub工程看到。

参考资料

1. Weak references – how useful are they?
2. Guide to WeakHashMap in Java