Java并发：使用WeakReference实现并发容器中的Value失效机制

大家好，今天我们来深入探讨一个在并发编程中非常有用的技巧：如何利用 WeakReference 实现并发容器中Value的失效机制。在某些场景下，我们希望容器中的Value对象在不再被其他地方引用时，能够自动从容器中移除，从而释放内存资源。WeakReference 就能很好地帮助我们实现这个目标。

1. 为什么需要Value失效机制？

在并发环境中，我们经常使用容器来缓存一些计算结果或者对象，以便提高性能。例如，我们可以使用 ConcurrentHashMap 来缓存用户的会话信息，或者缓存一些昂贵的计算结果。但是，如果这些缓存的Value对象不再被其他地方引用，它们就会一直占用内存空间，导致内存泄漏。

Value失效机制的引入是为了解决这个问题。通过设置Value的失效策略，我们可以让容器在Value对象不再被引用时，自动将其从容器中移除，从而释放内存资源。

2. WeakReference 简介

java.lang.ref.WeakReference 是Java提供的一种弱引用类型。与强引用不同，弱引用不会阻止垃圾回收器回收被引用的对象。也就是说，如果一个对象只被弱引用所引用，那么当垃圾回收器运行时，这个对象就会被回收。

WeakReference 的主要特点如下：

不阻止垃圾回收： 这是最重要的特性。垃圾回收器在回收对象时，会忽略弱引用。
可以判断对象是否已被回收： 通过 WeakReference.get() 方法可以获取引用的对象。如果对象已被回收，该方法返回 null。

3. 使用 WeakReference 实现失效机制的基本思路

实现失效机制的基本思路是：

将Value对象包装成 WeakReference。
将 WeakReference 存储在并发容器中。
定期检查容器中的 WeakReference，如果 WeakReference.get() 返回 null，则说明Value对象已被回收，从容器中移除对应的Key-Value对。

4. 具体实现：WeakValueMap

下面我们来实现一个简单的 WeakValueMap，它使用 WeakReference 来存储Value，并定期检查失效的Value。

import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;

public class WeakValueMap<K, V> {

    private final ConcurrentMap<K, WeakReference<V>> map = new ConcurrentHashMap<>();
    private final ReferenceQueue<V> queue = new ReferenceQueue<>();

    public V get(K key) {
        expungeStaleEntries(); // 清理失效的entry
        WeakReference<V> weakReference = map.get(key);
        if (weakReference != null) {
            return weakReference.get(); // 返回value，如果已经被回收，则返回null
        }
        return null;
    }

    public V put(K key, V value) {
        expungeStaleEntries(); // 清理失效的entry
        WeakReference<V> weakReference = new WeakReference<>(value, queue);
        WeakReference<V> previous = map.put(key, weakReference);
        if (previous != null) {
            return previous.get();
        }
        return null;
    }

    public V remove(K key) {
        expungeStaleEntries(); // 清理失效的entry
        WeakReference<V> weakReference = map.remove(key);
        if (weakReference != null) {
            return weakReference.get();
        }
        return null;
    }

    // 清理已经被回收的value对应的entry
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private void expungeStaleEntries() {
        Reference<? extends V> ref;
        while ((ref = queue.poll()) != null) {
            for (K key : map.keySet()) {
                if (map.get(key) == ref) {
                    map.remove(key);
                    break;
                }
            }
        }
    }

    public int size() {
        expungeStaleEntries();
        return map.size();
    }

    public boolean containsKey(K key) {
        expungeStaleEntries();
        return map.containsKey(key);
    }

    public void clear() {
        map.clear();
        // 清空queue，防止内存泄漏
        while (queue.poll() != null) {}
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WeakValueMap<String, Object> map = new WeakValueMap<>();

        Object obj1 = new Object();
        Object obj2 = new Object();

        map.put("key1", obj1);
        map.put("key2", obj2);

        System.out.println("Map size before GC: " + map.size()); // Expected: 2

        obj1 = null; // 解除obj1的强引用
        System.gc(); // 触发垃圾回收
        Thread.sleep(100); // 等待垃圾回收完成

        System.out.println("Map size after GC: " + map.size()); // Expected: 1 (key1被移除)
        System.out.println("Value of key1 after GC: " + map.get("key1")); // Expected: null
        System.out.println("Value of key2 after GC: " + map.get("key2")); // Expected: not null

        obj2 = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(100);
        System.out.println("Map size after GC: " + map.size()); // Expected: 0 (key2被移除)

        map.put("key3", new Object());
        System.out.println("Map size before clear: " + map.size());
        map.clear();
        System.out.println("Map size after clear: " + map.size());
    }
}

代码解释：

map: 使用 ConcurrentHashMap 存储 Key 和 WeakReference<V> 的映射。
queue: ReferenceQueue 用于跟踪被垃圾回收器回收的Value对象。当一个Value对象被回收时，对应的 WeakReference 会被放入这个队列中。
get(K key): 获取指定Key对应的Value。首先调用 expungeStaleEntries() 清理失效的entry，然后从 map 中获取 WeakReference，如果 WeakReference.get() 返回 null，则说明Value对象已被回收，返回 null。
put(K key, V value): 将Key-Value对放入 map 中。首先调用 expungeStaleEntries() 清理失效的entry，然后将Value对象包装成 WeakReference，并放入 map 中。同时将 queue 传递给 WeakReference 的构造函数，以便跟踪Value对象的回收情况。
remove(K key): 从 map 中移除指定Key对应的Key-Value对。首先调用 expungeStaleEntries() 清理失效的entry，然后从 map 中移除 Key-Value对。
expungeStaleEntries(): 清理失效的entry。该方法从 queue 中获取被回收的 WeakReference，然后遍历 map，找到对应的Key，并从 map 中移除该Key-Value对。
clear(): 清空map和queue，防止内存泄漏

5. 关键点和注意事项

ReferenceQueue 的使用： ReferenceQueue 是实现失效机制的关键。当垃圾回收器回收一个被 WeakReference 引用的对象时，会将该 WeakReference 放入 ReferenceQueue 中。我们可以通过检查 ReferenceQueue 来判断哪些Value对象已被回收。
定期清理： 需要定期调用 expungeStaleEntries() 方法来清理失效的entry。可以在 get(), put(), remove() 等方法中调用，也可以使用一个定时任务来定期清理。
并发安全： ConcurrentHashMap 保证了并发安全。
内存泄漏： 如果在移除 WeakReference 后没有及时清理 ReferenceQueue，可能会导致内存泄漏。所以clear()方法中需要清空queue。
性能考量： 频繁的清理操作可能会影响性能。需要根据实际情况调整清理的频率。
Key的强引用： 虽然Value是弱引用，但是Key仍然是强引用。如果Key不再被使用，也需要手动移除。

6. 扩展：使用 Cleaner 替代 ReferenceQueue (JDK 9+)

在JDK 9及以上版本中，可以使用 java.lang.ref.Cleaner 替代 ReferenceQueue 来实现更方便的资源清理。Cleaner 提供了一种更简洁的机制来注册对象清理操作。

import java.lang.ref.Cleaner;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;

public class WeakValueMapWithCleaner<K, V> {

    private final ConcurrentMap<K, V> map = new ConcurrentHashMap<>();
    private final Cleaner cleaner = Cleaner.create();

    private static class State<K, V> implements Runnable {
        private final K key;
        private final ConcurrentMap<K, V> map;

        public State(K key, ConcurrentMap<K, V> map) {
            this.key = key;
            this.map = map;
        }

        @Override
        public void run() {
            map.remove(key);
        }
    }

    public V get(K key) {
        return map.get(key);
    }

    public V put(K key, V value) {
        V previous = map.put(key, value);
        cleaner.register(value, new State<>(key, map));
        return previous;
    }

    public V remove(K key) {
        return map.remove(key);
    }

    public int size() {
        return map.size();
    }

    public boolean containsKey(K key) {
        return map.containsKey(key);
    }

    public void clear() {
        map.clear();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WeakValueMapWithCleaner<String, Object> map = new WeakValueMapWithCleaner<>();

        Object obj1 = new Object();
        Object obj2 = new Object();

        map.put("key1", obj1);
        map.put("key2", obj2);

        System.out.println("Map size before GC: " + map.size()); // Expected: 2

        obj1 = null; // 解除obj1的强引用
        System.gc(); // 触发垃圾回收
        Thread.sleep(100); // 等待垃圾回收完成

        System.out.println("Map size after GC: " + map.size()); // Expected: 1 or 2 (取决于GC执行情况)
        System.out.println("Value of key1 after GC: " + map.get("key1")); // Expected: null (可能)
        System.out.println("Value of key2 after GC: " + map.get("key2")); // Expected: not null

        obj2 = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(100);
        System.out.println("Map size after GC: " + map.size()); // Expected: 0, 1 or 2 (取决于GC执行情况)
    }
}

代码解释：

cleaner: 创建一个 Cleaner 实例。
State: 一个实现了 Runnable 接口的内部类，用于执行清理操作。当Value对象被回收时，Cleaner 会调用 State.run() 方法，该方法会从 map 中移除对应的Key-Value对。
put(K key, V value): 将Key-Value对放入 map 中，并使用 cleaner.register() 方法注册清理操作。

使用 Cleaner 的优点：

更简洁： 无需手动处理 ReferenceQueue。
更安全： Cleaner 保证清理操作最终会被执行。

7. 应用场景

缓存： 缓存计算结果或对象，避免重复计算。
会话管理： 存储用户会话信息。
对象池： 管理可重用的对象。
数据加载： 缓存从数据库或网络加载的数据。

8. 总结

今天我们学习了如何使用 WeakReference 实现并发容器中Value的失效机制。通过将Value对象包装成 WeakReference，我们可以让容器在Value对象不再被引用时，自动将其从容器中移除，从而释放内存资源。我们还介绍了如何使用 ReferenceQueue 和 Cleaner 来跟踪Value对象的回收情况，并实现了 WeakValueMap 和 WeakValueMapWithCleaner 两个示例。

9. 进一步思考

如何选择合适的失效策略？
如何监控容器的内存使用情况？
如何与其他缓存框架集成？

希望今天的分享对大家有所帮助！

使用WeakReference，实现Value失效，解决内存泄漏问题
ReferenceQueue/Cleaner辅助，提供更简洁、安全的实现方式
在缓存、会话管理等场景中，灵活应用失效机制

Java并发：使用WeakReference实现并发容器中的Value失效机制

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