为什么 HashMap 会死循环？

Posted 2023-05-23 javacn123

HashMap 死循环发生在 JDK 1.8 之前的版本中，它是指在并发环境下，因为多个线程同时进行 put 操作，导致链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，在 get(key) 的时候就会产生死循环。如下图所示：

死循环原因

HashMap 导致死循环的原因是由以下条件共同导致的：

1. HashMap 使用头插法进行数据插入（JDK 1.8 之前）；

2. 多线程同时添加；

3. 触发了 HashMap 扩容。

什么是头插法？

头插法是指新来的值会取代原有的值，插入到链表的头部，如下图所示。

原链表如下图所示：

此时使用头插入插入一个元素 Z，如下图所示：

头插法会导致 HashMap 在进行扩容时，链表的顺序发生反转，如下图所示：

因为在 HashMap 扩容时，会先从旧 HashMap 的头节点读取并插入到新 HashMap 节点中，旧节点的读取顺序是 A -> B -> C，于是插入到新 HashMap 中的顺序就变成了 C -> B -> A，这样就破坏了链表的顺序，导致了链表反转。

死循环产生过程

死循环执行步骤1

死循环是因为并发 HashMap 扩容导致的，并发扩容的第一步，线程 T1 和线程 T2 要对 HashMap 进行扩容操作，此时 T1 和 T2 指向的是链表的头结点元素 A，而 T1 和 T2 的下一个节点，也就是 T1.next 和 T2.next 指向的是 B 节点，如下图所示：

死循环执行步骤2

死循环的第二步操作是，线程 T2 时间片用完进入休眠状态，而线程 T1 开始执行扩容操作，一直到线程 T1 扩容完成后，线程 T2 才被唤醒，扩容之后的场景如下图所示：

从上图可知线程 T1 执行之后，因为是头插法，所以 HashMap 的顺序已经发生了改变，但线程 T2 对于发生的一切是不可知的，所以它的指向元素依然没变，如上图展示的那样，T2 指向的是 A 元素，T2.next 指向的节点是 B 元素。

死循环执行步骤3

当线程 T1 执行完，而线程 T2 恢复执行时，死循环就建立了，如下图所示：

因为 T1 执行完扩容之后 B 节点的下一个节点是 A，而 T2 线程指向的首节点是 A，第二个节点是 B，这个顺序刚好和 T1 扩完容完之后的节点顺序是相反的。T1 执行完之后的顺序是 B 到 A，而 T2 的顺序是 A 到 B，这样 A 节点和 B 节点就形成死循环了，这就是 HashMap 死循环导致的原因。

解决方案

HashMap 死循环的常用解决方案有以下几个：

1. 升级到高版本 JDK（JDK 1.8 以上），高版本 JDK 使用的是尾插法插入新元素的，所以不会产生死循环的问题；

2. 使用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代（推荐使用此方案）；

3. 使用线程安全容器 Hashtable 替代（性能低，不建议使用）；

4. 使用 synchronized 或 Lock 加锁 HashMap 之后，再进行操作，相当于多线程排队执行（比较麻烦，也不建议使用）。

小结

HashMap 死循环发生在 JDK 1.7 版本中，形成死循环的原因是 HashMap 在 JDK 1.7 使用的是头插法，头插法 + 多线程并发操作 + HashMap 扩容，这几个点加在一起就形成了 HashMap 的死循环，解决死循环可以采用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代。

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京东一面：为什么 HashMap 是线程不安全的？

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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