JDK如何实现WeakCache缓存

这篇文章主要介绍JDK如何实现WeakCache缓存，文中介绍的非常详细，具有一定的参考价值，感兴趣的小伙伴们一定要看完！

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示例：

//Reference引用队列
private final ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue<>();
//缓存的底层实现, key为一级缓存, value为二级缓存。 为了支持null, map的key类型设置为Object
private final ConcurrentMap>> 
                            map = new ConcurrentHashMap<>();
//reverseMap记录了所有代理类生成器是否可用, 这是为了实现缓存的过期机制
private final ConcurrentMap, Boolean> reverseMap = new ConcurrentHashMap<>();
//生成二级缓存key的工厂, 这里传入的是KeyFactory
private final BiFunction subKeyFactory;
//生成二级缓存value的工厂, 这里传入的是ProxyClassFactory
private final BiFunction valueFactory;

//构造器, 传入生成二级缓存key的工厂和生成二级缓存value的工厂
public WeakCache(BiFunction subKeyFactory, BiFunction valueFactory) {
  this.subKeyFactory = Objects.requireNonNull(subKeyFactory);
  this.valueFactory = Objects.requireNonNull(valueFactory);
}

首先我们看一下WeakCache的成员变量和构造器，WeakCache缓存的内部实现是通过ConcurrentMap来完成的，成员变量map就是二级缓存的底层实现，reverseMap是为了实现缓存的过期机制，subKeyFactory是二级缓存key的生成工厂，通过构造器传入，这里传入的值是Proxy类的KeyFactory，valueFactory是二级缓存value的生成工厂，通过构造器传入，这里传入的是Proxy类的ProxyClassFactory。接下来我们看一下WeakCache的get方法。

public V get(K key, P parameter) {
  //这里要求实现的接口不能为空
  Objects.requireNonNull(parameter);
  //清除过期的缓存
  expungeStaleEntries();
  //将ClassLoader包装成CacheKey, 作为一级缓存的key
  Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);
  //获取得到二级缓存
  ConcurrentMap> valuesMap = map.get(cacheKey);
  //如果根据ClassLoader没有获取到对应的值
  if (valuesMap == null) {
    //以CAS方式放入, 如果不存在则放入，否则返回原先的值
    ConcurrentMap> oldValuesMap = map.putIfAbsent(cacheKey, 
        valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
    //如果oldValuesMap有值, 说明放入失败
    if (oldValuesMap != null) {
      valuesMap = oldValuesMap;
    }
  }
  //根据代理类实现的接口数组来生成二级缓存key, 分为key0, key1, key2, keyx
  Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
  //这里通过subKey获取到二级缓存的值
  Supplier supplier = valuesMap.get(subKey);
  Factory factory = null;
  //这个循环提供了轮询机制, 如果条件为假就继续重试直到条件为真为止
  while (true) {
    //如果通过subKey取出来的值不为空
    if (supplier != null) {
      //在这里supplier可能是一个Factory也可能会是一个CacheValue
      //在这里不作判断, 而是在Supplier实现类的get方法里面进行验证
      V value = supplier.get();
      if (value != null) {
        return value;
      }
    }
    if (factory == null) {
      //新建一个Factory实例作为subKey对应的值
      factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
    }
    if (supplier == null) {
      //到这里表明subKey没有对应的值, 就将factory作为subKey的值放入
      supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
      if (supplier == null) {
        //到这里表明成功将factory放入缓存
        supplier = factory;
      }
      //否则, 可能期间有其他线程修改了值, 那么就不再继续给subKey赋值, 而是取出来直接用
    } else {
      //期间可能其他线程修改了值, 那么就将原先的值替换
      if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
        //成功将factory替换成新的值
        supplier = factory;
      } else {
        //替换失败, 继续使用原先的值
        supplier = valuesMap.get(subKey);
      }
    }
  }
}

WeakCache的get方法并没有用锁进行同步，那它是怎样实现线程安全的呢？因为它的所有会进行修改的成员变量都使用了ConcurrentMap，这个类是线程安全的。因此它将自身的线程安全委托给了ConcurrentMap， get方法尽可能的将同步代码块缩小，这样可以有效提高WeakCache的性能。我们看到ClassLoader作为了一级缓存的key，这样可以首先根据ClassLoader筛选一遍，因为不同ClassLoader加载的类是不同的。然后它用接口数组来生成二级缓存的key，这里它进行了一些优化，因为大部分类都是实现了一个或两个接口，所以二级缓存key分为key0，key1，key2，keyX。key0到key2分别表示实现了0到2个接口，keyX表示实现了3个或以上的接口，事实上大部分都只会用到key1和key2。这些key的生成工厂是在Proxy类中，通过WeakCache的构造器将key工厂传入。这里的二级缓存的值是一个Factory实例，最终代理类的值是通过Factory这个工厂来获得的。

private final class Factory implements Supplier {
  //一级缓存key, 根据ClassLoader生成
  private final K key;
  //代理类实现的接口数组
  private final P parameter;
  //二级缓存key, 根据接口数组生成
  private final Object subKey;
  //二级缓存
  private final ConcurrentMap> valuesMap;

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

  @Override
  public synchronized V get() {
    //这里再一次去二级缓存里面获取Supplier, 用来验证是否是Factory本身
    Supplier supplier = valuesMap.get(subKey);
    if (supplier != this) {
      //在这里验证supplier是否是Factory实例本身, 如果不则返回null让调用者继续轮询重试
      //期间supplier可能替换成了CacheValue, 或者由于生成代理类失败被从二级缓存中移除了
      return null;
    }
    V value = null;
    try {
      //委托valueFactory去生成代理类, 这里会通过传入的ProxyClassFactory去生成代理类
      value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
    } finally {
      //如果生成代理类失败, 就将这个二级缓存删除
      if (value == null) {
        valuesMap.remove(subKey, this);
      }
    }
    //只有value的值不为空才能到达这里
    assert value != null;
    //使用弱引用包装生成的代理类
    CacheValue cacheValue = new CacheValue<>(value);
    //将包装后的cacheValue放入二级缓存中, 这个操作必须成功, 否则就报错
    if (valuesMap.replace(subKey, this, cacheValue)) {
      //将cacheValue成功放入二级缓存后, 再对它进行标记
      reverseMap.put(cacheValue, Boolean.TRUE);
    } else {
      throw new AssertionError("Should not reach here");
    }
    //最后返回没有被弱引用包装的代理类
    return value;
  }
}

我们再看看Factory这个内部工厂类，可以看到它的get方法是使用synchronized关键字进行了同步。进行get方法后首先会去验证subKey对应的suppiler是否是工厂本身，如果不是就返回null，而WeakCache的get方法会继续进行重试。如果确实是工厂本身，那么就会委托ProxyClassFactory生成代理类，ProxyClassFactory是在构造WeakCache的时候传入的。所以这里解释了为什么最后会调用到Proxy的ProxyClassFactory这个内部工厂来生成代理类。生成代理类后使用弱引用进行包装并放入reverseMap中，最后会返回原装的代理类。

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