HashMap为什么线程不安全？

Posted 2022-08-17 流楚丶格念

文章目录

• 线程不安全
• • JDK1.7中的死循环与数据丢失
  • • 举例说明
  • JDK1.8中的数据覆盖
  • • 举例说明
  • 总结
• 解决线程不安全

线程不安全

HashMap的线程不安全体现在会造成死循环、数据丢失、数据覆盖等问题。其中死循环和数据丢失是在JDK1.7中出现的问题，在JDK1.8中已经得到解决，但是1.8中仍会有数据覆盖这样的问题。HashMap是线程不安全的，线程安全场景应该使用ConcurrentHashMap。

JDK1.7中的死循环与数据丢失

HashMap的线程不安全主要是发生在扩容方法中，JDK1.7中HashMap的transfer函数如下：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) 
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) 
            while(null != e) 
                Entry<K,V> next = e.next;
                if (rehash) 
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            
        
     

HashMap的扩容操作（先扩容在头插法插入）会重新定位每个桶的下标，并采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转，这也是造成死循环和数据丢失的关键。

举例说明

比如现在有两个线程A、B同时对下面这个HashMap进行扩容操作：

正常扩容后的结果如下（7%4=3 3%4=3）：

jdk1.7是头插法，所以说7再来就插到了3前面

但是当线程A执行到上面transfer函数的第11行代码时，CPU时间片耗尽，线程A被挂起,即

newTable[i] = e;  // 此处挂起，此时还没有执行

此时线程A中：

e=3;
next=7;
e.next=null;

此时线程B开始执行，并且线程B成功的完成了数据迁移，如下：

这个是问题出现关键时间段，根据Java JMM，线程B执行完数据迁移后，此时主内存中newTable和table都是最新的，也就是说：

7.next=3;
3.next=null;

此时线程A获得CPU时间片继续执行newTable[i] = e，将3放入新数组对应的位置，执行完此轮循环后线程A的情况如下

接着继续执行下一轮循环，此时e=7，从主内存中读取e.next时发现主内存中7.next=3，即next=3，并将7采用头插法的方式放入新数组中，并继续执行完此轮循环，结果如下：

继续执行下一次循环可以发现， e.next=null，所以此轮循环将会是最后一轮循环。

接下来当执行完e.next=newTable[i]即3.next=7后，3和7之间就相互连接了，当执行完newTable[i]=e后，3被头插法重新插入到链表中，执行结果如下图所示：

到此线程A、B的扩容操作完成。

显然当线程A执行完后，HashMap中出现了环形结构，当在以后对该HashMap进行操作时会出现死循环。

并且从上图可以发现，元素5在扩容期间被莫名的丢失了，这就发生了数据丢失的问题。

JDK1.8中的数据覆盖

JDK1.7出现的问题，在JDK1.8中已经得到了很好的解决，JDK1.8直接在resize函数中完成了数据迁移。在进行元素插入时使用的是尾插法然后在扩容。

虽然在JDK1.8中已经解决死循环和数据丢失问题，但是1.8中仍会有数据覆盖这样的问题

但是在1.8中仍会有数据覆盖这样的问题，它发生在put源码中：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) 
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //判断是否出现hash碰撞,如果没有hash碰撞则直接插入元素，此处线程不安全
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else 
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else 
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) 
                    if ((e = p.next) == null) 
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                
            
            if (e != null)  // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            
        
        ++modCount;
        if (++size > threshold) //++size此处线程不安全
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    

其中代码

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 

是判断是否出现hash碰撞：

举例说明

比如两个线程A、B都在进行put操作，并且hash函数计算出的插入下标是相同的，当线程A执行完第六行代码后由于时间片耗尽导致被挂起，而线程B得到时间片后在该下标处插入了元素，完成了正常的插入，然后线程A获得时间片，由于之前已经进行了hash碰撞的判断，所有此时不会再进行判断，而是直接进行插入，这就导致了线程B插入的数据被线程A覆盖了，从而线程不安全。

还有一种情况就是代码 if (++size > threshold)中的++size：

同样还是线程A、B，这两个线程同时进行put操作时，假设当前HashMap的zise大小为10，当线程A执行到此行代码时，从主内存中获得size的值为10后准备进行+1操作，但是由于时间片耗尽只好让出CPU，线程B拿到CPU还是从主内存中拿到size的值10进行+1操作，完成了put操作并将size=11写回主内存，然后线程A再次拿到CPU并继续执行(此时size的值仍为10)，当执行完put操作后，还是将size=11写回内存，此时线程A、B都执行了一次put操作，但是size的值只增加了1，所有说还是由于数据覆盖又导致了线程不安全。

总结

HashMap的线程不安全主要体现在两个方面：

1. 在JDK1.7中，当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。
2. 在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。

解决线程不安全

下篇文章详细说明，这里不再赘述

1. 直接使用Hashtable类；
2. 直接使用ConcurrentHashMap；
3. 使用Collections将HashMap包装成线程安全的Map。