JDK如何實現WeakCache緩存

這篇文章主要介紹JDK如何實現WeakCache緩存，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

示例：

//Reference引用隊列
private final ReferenceQueue<K> refQueue = new ReferenceQueue<>();
//緩存的底層實現, key為一級緩存, value為二級緩存。 為了支持null, map的key類型設置為Object
private final ConcurrentMap<Object, ConcurrentMap<Object, Supplier<V>>> 
                            map = new ConcurrentHashMap<>();
//reverseMap記錄了所有代理類生成器是否可用, 這是為了實現緩存的過期機制
private final ConcurrentMap<Supplier<V>, Boolean> reverseMap = new ConcurrentHashMap<>();
//生成二級緩存key的工廠, 這里傳入的是KeyFactory
private final BiFunction<K, P, ?> subKeyFactory;
//生成二級緩存value的工廠, 這里傳入的是ProxyClassFactory
private final BiFunction<K, P, V> valueFactory;

//構造器, 傳入生成二級緩存key的工廠和生成二級緩存value的工廠
public WeakCache(BiFunction<K, P, ?> subKeyFactory, BiFunction<K, P, V> valueFactory) {
  this.subKeyFactory = Objects.requireNonNull(subKeyFactory);
  this.valueFactory = Objects.requireNonNull(valueFactory);
}

首先我們看一下WeakCache的成員變量和構造器，WeakCache緩存的內部實現是通過ConcurrentMap來完成的，成員變量map就是二級緩存的底層實現，reverseMap是為了實現緩存的過期機制，subKeyFactory是二級緩存key的生成工廠，通過構造器傳入，這里傳入的值是Proxy類的KeyFactory，valueFactory是二級緩存value的生成工廠，通過構造器傳入，這里傳入的是Proxy類的ProxyClassFactory。接下來我們看一下WeakCache的get方法。

public V get(K key, P parameter) {
  //這里要求實現的接口不能為空
  Objects.requireNonNull(parameter);
  //清除過期的緩存
  expungeStaleEntries();
  //將ClassLoader包裝成CacheKey, 作為一級緩存的key
  Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);
  //獲取得到二級緩存
  ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
  //如果根據ClassLoader沒有獲取到對應的值
  if (valuesMap == null) {
    //以CAS方式放入, 如果不存在則放入，否則返回原先的值
    ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap = map.putIfAbsent(cacheKey, 
        valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
    //如果oldValuesMap有值, 說明放入失敗
    if (oldValuesMap != null) {
      valuesMap = oldValuesMap;
    }
  }
  //根據代理類實現的接口數組來生成二級緩存key, 分為key0, key1, key2, keyx
  Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
  //這里通過subKey獲取到二級緩存的值
  Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
  Factory factory = null;
  //這個循環提供了輪詢機制, 如果條件為假就繼續重試直到條件為真為止
  while (true) {
    //如果通過subKey取出來的值不為空
    if (supplier != null) {
      //在這里supplier可能是一個Factory也可能會是一個CacheValue
      //在這里不作判斷, 而是在Supplier實現類的get方法里面進行驗證
      V value = supplier.get();
      if (value != null) {
        return value;
      }
    }
    if (factory == null) {
      //新建一個Factory實例作為subKey對應的值
      factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
    }
    if (supplier == null) {
      //到這里表明subKey沒有對應的值, 就將factory作為subKey的值放入
      supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
      if (supplier == null) {
        //到這里表明成功將factory放入緩存
        supplier = factory;
      }
      //否則, 可能期間有其他線程修改了值, 那么就不再繼續給subKey賦值, 而是取出來直接用
    } else {
      //期間可能其他線程修改了值, 那么就將原先的值替換
      if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
        //成功將factory替換成新的值
        supplier = factory;
      } else {
        //替換失敗, 繼續使用原先的值
        supplier = valuesMap.get(subKey);
      }
    }
  }
}

WeakCache的get方法并沒有用鎖進行同步，那它是怎樣實現線程安全的呢？因為它的所有會進行修改的成員變量都使用了ConcurrentMap，這個類是線程安全的。因此它將自身的線程安全委托給了ConcurrentMap， get方法盡可能的將同步代碼塊縮小，這樣可以有效提高WeakCache的性能。我們看到ClassLoader作為了一級緩存的key，這樣可以首先根據ClassLoader篩選一遍，因為不同ClassLoader加載的類是不同的。然后它用接口數組來生成二級緩存的key，這里它進行了一些優化，因為大部分類都是實現了一個或兩個接口，所以二級緩存key分為key0，key1，key2，keyX。key0到key2分別表示實現了0到2個接口，keyX表示實現了3個或以上的接口，事實上大部分都只會用到key1和key2。這些key的生成工廠是在Proxy類中，通過WeakCache的構造器將key工廠傳入。這里的二級緩存的值是一個Factory實例，最終代理類的值是通過Factory這個工廠來獲得的。

private final class Factory implements Supplier<V> {
  //一級緩存key, 根據ClassLoader生成
  private final K key;
  //代理類實現的接口數組
  private final P parameter;
  //二級緩存key, 根據接口數組生成
  private final Object subKey;
  //二級緩存
  private final ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap;

  Factory(K key, P parameter, Object subKey,
      ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap) {
    this.key = key;
    this.parameter = parameter;
    this.subKey = subKey;
    this.valuesMap = valuesMap;
  }

  @Override
  public synchronized V get() {
    //這里再一次去二級緩存里面獲取Supplier, 用來驗證是否是Factory本身
    Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
    if (supplier != this) {
      //在這里驗證supplier是否是Factory實例本身, 如果不則返回null讓調用者繼續輪詢重試
      //期間supplier可能替換成了CacheValue, 或者由于生成代理類失敗被從二級緩存中移除了
      return null;
    }
    V value = null;
    try {
      //委托valueFactory去生成代理類, 這里會通過傳入的ProxyClassFactory去生成代理類
      value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
    } finally {
      //如果生成代理類失敗, 就將這個二級緩存刪除
      if (value == null) {
        valuesMap.remove(subKey, this);
      }
    }
    //只有value的值不為空才能到達這里
    assert value != null;
    //使用弱引用包裝生成的代理類
    CacheValue<V> cacheValue = new CacheValue<>(value);
    //將包裝后的cacheValue放入二級緩存中, 這個操作必須成功, 否則就報錯
    if (valuesMap.replace(subKey, this, cacheValue)) {
      //將cacheValue成功放入二級緩存后, 再對它進行標記
      reverseMap.put(cacheValue, Boolean.TRUE);
    } else {
      throw new AssertionError("Should not reach here");
    }
    //最后返回沒有被弱引用包裝的代理類
    return value;
  }
}

我們再看看Factory這個內部工廠類，可以看到它的get方法是使用synchronized關鍵字進行了同步。進行get方法后首先會去驗證subKey對應的suppiler是否是工廠本身，如果不是就返回null，而WeakCache的get方法會繼續進行重試。如果確實是工廠本身，那么就會委托ProxyClassFactory生成代理類，ProxyClassFactory是在構造WeakCache的時候傳入的。所以這里解釋了為什么最后會調用到Proxy的ProxyClassFactory這個內部工廠來生成代理類。生成代理類后使用弱引用進行包裝并放入reverseMap中，最后會返回原裝的代理類。

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