高并发下，HashMap会产生哪些问题？

Posted 2021-01-04 lanqiu5ge

HashMap在高并发环境下会产生的问题

HashMap其实并不是线程安全的，在高并发的情况下，会产生并发引起的问题：
比如：

• HashMap死循环，造成CPU100%负载
• 触发fail-fast

下面逐个分析下出现上述情况的原因：

HashMap死循环的原因

HashMap进行存储时，如果size超过（当前最大容量*负载因子）时候会发生resize，首先看一下resize源代码：

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
 
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        // transfer方法是真正执行rehash的操作，容易在高并发时发生问题
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

而这段代码中又调用了transfer()方法，而这个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，从而发生死循环，我们看一下他的源代码:

void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        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);
            }
        }
    }

HashMap死循环演示：
假如有两个线程P1、P2，以及table[]某个节点链表为 a->b->null（a、b是HashMap的Entry节点，保存着Key-Value键值对的值）

1. P1先执行，执行完"Entry<K,V> next = e.next;"代码后,P1发生阻塞或者其他情况不再执行下去，此时e=a，next=b

2. P1阻塞后P2获得CPU资源开始执行，由于P1并没有执行完transfer()，table 和 threshold仍为原来的值，P2依旧会进行resize操作，并且P2顺利执行完resize()方法，假设a、b节点仍然rehash到newTable[]（注意，P1和P2中newTable[]不是同一个）中同一个节点链表中，则新的节点链表为 b->a->null
   transfer(newTable); //P1阻塞在transfer方法中，没有执行到下边对 table 和 threshold 重新赋值的操作 table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
3. P1又继续执行"Entry<K,V> next = e.next;"之后的代码，则newTable[i]的节点链表变化过程为：
   • 第一次while循环，newTable[i]=a，链表为：b->a->null；此时e=b;
   • 进入第二次循环，newTable[i]=b,链表为：b->a->a; 此时a<->a出现回路，e=a, while(e!=null)死循环

触发fail-fast

一个线程利用迭代器迭代时，另一个线程做插入删除操作，造成迭代的fast-fail。

public class TestFailFast {
    
    private static final String USER_NAME_PREFIX = "User-";
    // Key: User Name, Value: User Age
    private static Map<String, Integer> userMap = new HashMap<>();
    
    // ThreadA 用于向HashMap添加元素
    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("ThreadA starts to add user.");
            for (int i = 1; i < 100000; i++) {
                userMap.put(USER_NAME_PREFIX+i, i%100);
            }
            System.out.println("ThreadA done.");
        }
    }
    
    // ThreadB 用于遍历HashMap中元素输出
    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("ThreadB starts to iterate.");
            for (Map.Entry<String, Integer> user : userMap.entrySet()) {
                System.out.println("UserName=" + user.getKey()
                    + ", UserAge=" + user.getValue());
            }
            System.out.println("ThreadB done.");
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread threadA = new Thread(new ThreadA());
        Thread threadB = new Thread(new ThreadB());
    
        threadA.start();
        threadB.start();
  
        threadA.join();
        threadB.join();
        System.exit(0);
    }
}

运行结果：抛出ConcurrentModificationException

ThreadA starts to add user.
ThreadB starts to iterate.
Exception in thread "Thread-1" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.HashMap$HashIterator.nextNode(HashMap.java:1437)
    at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1471)
    at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1469)
    at concurrent.TestFailFast$ThreadB.run(TestFailFast.java:33)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
ThreadA done.

总结

HashMap并非线程安全，所以在多线程情况下，应该首先考虑用ConcurrentHashMap，避免悲剧的发生。

参考资料：

https://blog.csdn.net/chenxuegui1234/article/details/39646041
https://blog.csdn.net/u011716215/article/details/78601916