京东一面：为什么 HashMap 是线程不安全的？

Posted 2021-10-19 沉默王二

01、多线程下扩容会死循环

众所周知，HashMap 是通过拉链法来解决哈希冲突的，也就是当哈希冲突时，会将相同哈希值的键值对通过链表的形式存放起来。

JDK 7 时，采用的是头部插入的方式来存放链表的，也就是下一个冲突的键值对会放在上一个键值对的前面（同一位置上的新元素被放在链表的头部）。扩容的时候就有可能导致出现环形链表，造成死循环。

resize 方法的源码：

// newCapacity为新的容量
void resize(int newCapacity) {
    // 小数组，临时过度下
    Entry[] oldTable = table;
    // 扩容前的容量
    int oldCapacity = oldTable.length;
    // MAXIMUM_CAPACITY 为最大容量，2 的 30 次方 = 1<<30
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        // 容量调整为 Integer 的最大值 0x7fffffff（十六进制）=2 的 31 次方-1
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    // 初始化一个新的数组（大容量）
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    // 把小数组的元素转移到大数组中
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    // 引用新的大数组
    table = newTable;
    // 重新计算阈值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

transfer 方法用来转移，将小数组的元素拷贝到新的数组中。

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    // 新的容量
    int newCapacity = newTable.length;
    // 遍历小数组
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            // 拉链法，相同 key 上的不同值
            Entry<K,V> next = e.next;
            // 是否需要重新计算 hash
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            // 根据大数组的容量，和键的 hash 计算元素在数组中的下标
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

            // 同一位置上的新元素被放在链表的头部
            e.next = newTable[i];

            // 放在新的数组上
            newTable[i] = e;

            // 链表上的下一个元素
            e = next;
        }
    }
}

注意 e.next = newTable[i] 和 newTable[i] = e 这两行代码，就会将同一位置上的新元素被放在链表的头部。

扩容前的样子假如是下面这样子。

那么正常扩容后就是下面这样子。

假设现在有两个线程同时进行扩容，线程 A 在执行到 newTable[i] = e; 被挂起，此时线程 A 中：e=3、next=7、e.next=null

线程 B 开始执行，并且完成了数据转移。

此时，7 的 next 为 3，3 的 next 为 null。

随后线程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：

执行下一轮循环，此时 e=7，原本线程 A 中 7 的 next 为 5，但由于 table 是线程 A 和线程 B 共享的，而线程 B 顺利执行完后，7 的 next 变成了 3，那么此时线程 A 中，7 的 next 也为 3 了。

采用头部插入的方式，变成了下面这样子：

好像也没什么问题，此时 next = 3，e = 3。

进行下一轮循环，但此时，由于线程 B 将 3 的 next 变为了 null，所以此轮循环应该是最后一轮了。

接下来当执行完 e.next=newTable[i] 即 3.next=7 后，3 和 7 之间就相互链接了，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：

套娃开始，元素 5 也就成了弃婴，惨~~~

不过，JDK 8 时已经修复了这个问题，扩容时会保持链表原来的顺序，参照HashMap 扩容机制的这一篇。

02、多线程下 put 会导致元素丢失

正常情况下，当发生哈希冲突时，HashMap 是这样的：

但多线程同时执行 put 操作时，如果计算出来的索引位置是相同的，那会造成前一个 key 被后一个 key 覆盖，从而导致元素的丢失。

put 的源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

    // 步骤①：tab为空则创建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;

    // 步骤②：计算index，并对null做处理 
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;

        // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;

        // 步骤④：判断该链为红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

        // 步骤⑤：该链为链表
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);

                    //链表长度大于8转换为红黑树进行处理
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }

                // key已经存在直接覆盖value
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }

        // 步骤⑥、直接覆盖
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;

    // 步骤⑦：超过最大容量 就扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

问题发生在步骤 ② 这里：

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

两个线程都执行了 if 语句，假设线程 A 先执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：

接着，线程 B 执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：

3 被干掉了。

03、put 和 get 并发时会导致 get 到 null

线程 A 执行put时，因为元素个数超出阈值而出现扩容，线程B 此时执行get，有可能导致这个问题。

注意来看 resize 源码：

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 计算新的resize上限
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
}

线程 A 执行完 table = newTab 之后，线程 B 中的 table 此时也发生了变化，此时去 get 的时候当然会 get 到 null 了，因为元素还没有转移。

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这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 58 篇，我们来聊了聊为什么 HashMap 是线程不安全的。

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