Java--HashMap 在高并发下引起的死循环

Posted 2021-07-03 MinggeQingchun

HashMap 基本实现（JDK 8 之前）

HashMap 通常会用一个指针数组（假设为 table[]）来做分散所有的 key，当一个 key 被加入时，会通过 Hash 算法通过 key 算出这个数组的下标 i，然后就把这个 插到 table[i] 中，如果有两个不同的 key 被算在了同一个 i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在 table[i] 上形成一个链表

 

如果 table[] 的尺寸很小，比如只有 2 个，如果要放进 10 个 keys 的话，那么碰撞非常频繁，于是一个 O(1) 的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了 O(n)，这是 Hash 表的缺陷

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 threshold，如果超过，需要增大 Hash 表的尺寸，但是这样一来，整个 Hash 表里的元素都需要被重算一遍。这叫 rehash，这个成本相当的大

HashMap 的 rehash 源代码

Put 一个 Key, Value 对到 Hash 表中：

public V put(K key, V value) {
    ......
    // 计算 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;
}

检查容量是否超标

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 是否超过了设定的阈值 threshold，如果超过，需要 resize
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length);
}

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

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);
}

迁移的源代码

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;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}

该方法实现的机制就是将每个链表转化到新链表，并且链表中的位置发生反转，而这在多线程情况下是很容易造成链表回路，从而发生 get() 死循环。所以只要保证建新链时还是按照原来的顺序的话就不会产生循环（JDK 8 的改进）

正常的 ReHash 的过程

• 假设我们的 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 重新 rehash 的过程

 

并发下的 Rehash

1）假设有两个线程

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

而线程二执行完成了。于是有下面的这个样子

注意，因为 Thread1 的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7)，其在线程二 rehash 后，指向了线程二重组后的链表。可以看到链表的顺序被反转

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）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

4）环形链接出现
e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7)
此时的 key(7).next 已经指向了 key(3)， 环形链表就这样出现了

JDK 8 的改进

JDK 8 中采用的是位桶 + 链表/红黑树的方式，当某个位桶的链表的长度超过 8 的时候，这个链表就将转换成红黑树

HashMap 不会因为多线程 put 导致死循环（JDK 8 用 head 和 tail 来保证链表的顺序和之前一样；JDK 7 rehash 会倒置链表元素），但是还会有数据丢失等弊端（并发本身的问题）。因此多线程情况下还是建议使用 ConcurrentHashMap

为什么线程不安全

HashMap 在并发时可能出现的问题主要是两方面：

• 如果多个线程同时使用 put 方法添加元素，而且假设正好存在两个 put 的 key 发生了碰撞（根据 hash 值计算的 bucket 一样），那么根据 HashMap 的实现，这两个 key 会添加到数组的同一个位置，这样最终就会发生其中一个线程 put 的数据被覆盖

• 如果多个线程同时检测到元素个数超过数组大小 * loadFactor，这样就会发生多个线程同时对 Node 数组进行扩容，都在重新计算元素位置以及复制数据，但是最终只有一个线程扩容后的数组会赋给 table，也就是说其他线程的都会丢失，并且各自线程 put 的数据也丢失