1. 概述
在本文中，我们将研究java.util包中的WeakHashMap。
为了理解数据结构，我们将在这里使用它来推出一个简单的缓存实现。但是，请记住，这是为了了解Map的工作原理，创建自己的缓存实现几乎总是一个坏主意。
简单地说，WeakHashMap是Map接口的基于哈希表的实现，其键是WeakReference类型。
当WeakHashMap的键不再正常使用时，WeakHashMap中的条目将自动删除，这意味着没有指向该键的单个Reference。当垃圾回收(GC)进程丢弃一个键时，它的条目实际上已从Map中删除，因此此类的行为与其他Map实现有些不同。
2. 强引用、软引用和弱引用
要了解WeakHashMap的工作原理，我们需要查看WeakReference类-这是WeakHashMap实现中键的基本结构。在Java中，我们有三种主要类型的引用，我们将在以下部分中对其进行解释。
2.1 强引用
强引用是我们在日常编程中使用的最常见的引用类型：
Integer prime = 1;
变量prime对值为1的Integer对象具有强引用，任何具有指向它的强引用的对象都不符合GC的条件。
2.2 软引用
简单地说，在JVM绝对需要内存之前，不会对具有指向它的SoftReference的对象进行垃圾回收。
让我们看看如何在Java中创建SoftReference：
Integer prime = 1;
SoftReference<Integer> soft = new SoftReference<Integer>(prime);
prime = null;
prime对象有指向它的强引用。
接下来，我们将prime强引用包装成软引用。在使该强引用为null之后，prime对象符合GC的条件，但只有在JVM绝对需要内存时才会被收集。
2.3 弱引用
仅被弱引用引用的对象被急切地垃圾回收；在这种情况下，GC不会等到它需要内存。
我们可以通过以下方式在Java中创建一个WeakReference：
Integer prime = 1;
WeakReference<Integer> soft = new WeakReference<Integer>(prime);
prime = null;
当我们创建一个prime引用null时，prime对象将在下一个GC周期中被垃圾回收，因为没有其他强引用指向它。
WeakReference类型的引用用作WeakHashMap中的键。
3. WeakHashMap作为高效的内存缓存
假设我们要构建一个缓存，将大图像对象保存为值，将图像名称保存为键。我们想选择一个合适的Map实现来解决这个问题。
使用简单的HashMap不是一个好的选择，因为值对象可能会占用大量内存。更重要的是，它们永远不会被GC进程从缓存中回收，即使它们不再在我们的应用程序中使用。
理想情况下，我们需要一个允许GC自动删除未使用对象的Map实现。当大图像对象的键未在我们的应用程序中的任何地方使用时，该条目将从内存中删除。
幸运的是，WeakHashMap正是具有这些特性。让我们测试我们的WeakHashMap并看看它的行为：
WeakHashMap<UniqueImageName, BigImage> map = new WeakHashMap<>();
BigImage bigImage = new BigImage("image_id");
UniqueImageName imageName = new UniqueImageName("name_of_big_image");
map.put(imageName, bigImage);
assertTrue(map.containsKey(imageName));
imageName = null;
System.gc();
await().atMost(10, TimeUnit.SECONDS).until(map::isEmpty);
我们创建一个WeakHashMap实例用于存储我们的BigImage对象。我们将BigImage对象作为值，将imageName对象引用作为键。imageName将作为WeakReference类型存储在Map中。
接下来，我们将imageName引用设置为null，因此不再有指向bigImage对象的引用。WeakHashMap的默认行为是在下一次GC时回收没有引用它的条目，因此这个条目将被下一个GC进程从内存中删除。
我们调用System.gc()来强制JVM触发GC进程。在GC循环之后，我们的WeakHashMap将是空的：
WeakHashMap<UniqueImageName, BigImage> map = new WeakHashMap<>();
BigImage bigImageFirst = new BigImage("foo");
UniqueImageName imageNameFirst = new UniqueImageName("name_of_big_image");
BigImage bigImageSecond = new BigImage("foo_2");
UniqueImageName imageNameSecond = new UniqueImageName("name_of_big_image_2");
map.put(imageNameFirst, bigImageFirst);
map.put(imageNameSecond, bigImageSecond);
assertTrue(map.containsKey(imageNameFirst));
assertTrue(map.containsKey(imageNameSecond));
imageNameFirst = null;
System.gc();
await().atMost(10, TimeUnit.SECONDS)
.until(() -> map.size() == 1);
await().atMost(10, TimeUnit.SECONDS)
.until(() -> map.containsKey(imageNameSecond));
请注意，只有imageNameFirst引用设置为null。imageNameSecond引用保持不变。触发GC后，Map将只包含一个条目-imageNameSecond。
4. 总结
在本文中，我们研究了Java中的引用类型以充分理解java.util.WeakHashMap的工作原理。我们创建了一个简单的缓存，它利用WeakHashMap的行为并测试它是否按我们预期的那样工作。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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