HashMap为什么是线程不安全的？

Posted 2021-09-04 岁月无声c

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Java的HashMap是非线程安全的。多线程下应该用ConcurrentHashMap。

多线程下[HashMap]的问题（这里主要说死循环问题）：

• 多线程put操作后，get操作导致死循环。
• 多线程put非NULL元素后，get操作得到NULL值。
• 多线程put操作，导致元素丢失。

1、为何出现死循环？（在多线程下使用非线程安全的HashMap，单线程根本不会出现）

• HashMap是采用链表解决Hash冲突，因为是链表结构，那么就很容易形成闭合的链路，这样在循环的时候只要有线程对这个HashMap进行get操作就会产生死循环。
• 在单线程情况下，只有一个线程对HashMap的数据结构进行操作，是不可能产生闭合的回路的。
• 那就只有在多线程并发的情况下才会出现这种情况，那就是在put操作的时候，如果size>initialCapacity*loadFactor，那么这时候HashMap就会进行rehash操作，随之HashMap的结构就会发生翻天覆地的变化。很有可能就是在两个线程在这个时候同时触发了rehash操作，产生了闭合的回路。

2、如何产生的：

存储数据put()：

 public V put(K key, V value)
 {
  ......
  //算Hash值
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  //如果该key已被插入，则替换掉旧的value （链接操作）
  for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
    V oldValue = e.value;
    e.value = value;
    e.recordAccess(this);
    return oldValue;
   }
  }
  modCount++;
  //该key不存在，需要增加一个结点
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }
</k,v>

当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。

如果这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了，那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放，新加入的元素放在链头，而先前加入的放在链尾。

检查容量是否超标addEntry：

 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
 {
  Entry<k,v> e = table[bucketIndex];
  table[bucketIndex] = new Entry<k,v>(hash, key, value, e);
  //查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold，如果超过，需要resize
  if (size++ >= threshold)
   resize(2 * table.length);
 }
</k,v></k,v>

如果现在size已经超过了threshold，那么就要进行resize操作,新建一个更大尺寸的hash表，然后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

调整Hash表大小resize：

 void resize(int newCapacity)
 {
  Entry[] oldTable = table;
  int oldCapacity = oldTable.length;
  ......
  //创建一个新的Hash Table
  Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
  //将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上
  transfer(newTable);
  table = newTable;
  threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
 }

当table[]数组容量较小，容易产生哈希碰撞，所以，Hash表的尺寸和容量非常的重要。

一般来说，Hash表这个容器当有数据要插入时，都会检查容量有没有超过设定的thredhold，如果超过，需要增大Hash表的尺寸，这个过程称为resize。

多个线程同时往HashMap添加新元素时，多次resize会有一定概率出现死循环，因为每次resize需要把旧的数据映射到新的哈希表，这一部分代码在HashMap#transfer() 方法，如下：

 void transfer(Entry[] newTable)
 {
  Entry[] src = table;
  int newCapacity = newTable.length;
  //下面这段代码的意思是：
  //  从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中
  for (int j = 0; j < src.length; j++) {
   Entry<k,v> e = src[j];
   if (e != null) {
    src[j] = null;
    do {
     Entry<k,v> next = e.next;//取出第一个元素
     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
     e.next = newTable[i];
     newTable[i] = e;
     e = next;
    } while (e != null);
   }
  }
 }
</k,v></k,v>

标红代码是导致多线程使用hashmap出现CUP使用率骤增，出现死循环，从而多个线程阻塞的罪魁祸首。另外推荐：Java进阶视频资源

3、图解HashMap死循环：

正常的ReHash的过程（单线程）：假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小（也就是数组的长度）。

最上面的是old hash 表，其中的Hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5，在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。接下来的三个步骤是Hash表 resize成4，然后所有的<key,value></key,value> 重新rehash的过程。

 

 

并发下的Rehash（多线程）

1）假设我们有两个线程。

 do {
  Entry<k,v> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了，执行其他操作
  int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
  e.next = newTable[i];
  newTable[i] = e;
  e = next;
 } while (e != null);
</k,v>

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子：

 

 

2）线程一被调度回来执行。

• 先是执行 newTalbe[i] = e;
• 然后是e = next，导致了e指向了key(7)，
• 而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)。

 

 

3）一切安好。

线程一接着工作。把key(7)摘下来，放到newTable[i]的第一个，然后把e和next往下移。这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了，那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，而先前加入的放在链尾。

 

 

4）环形链接出现。

e.next = newTable[i] 导致  key(3).next 指向了 key(7)。

 

 

于是，当我们的线程一调用到，HashTable.get(11)时，悲剧就出现了——Infinite Loop。

这里介绍了在多线程下为什么HashMap会出现死循环，不过在真实的生产环境下，不会使用线程不安全的HashMap的。