Java基础:HashMap假死锁问题的测试分析和总结

Posted ocean234

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java基础:HashMap假死锁问题的测试分析和总结相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

前言

  前两天在公司的内部博客看到一个同事分享的线上服务挂掉CPU100%的文章,让我联想到HashMap在不恰当使用情况下的死循环问题,这里做个整理和总结,也顺便复习下HashMap。

直接上测试代码

  由于机器配置和性能不同,测试出效果的线程数和put数量也各不相同

public class HashMapInfiniteLoopTest {
    /**
     * 基于JDK1.7测试HashMap在多线程环境下假死锁的情况
     * JDK1.8的HashMap实现跟1.7的比较有很大的变化,已不存在这样的问题
     * (这本来不是JDK的一个问题,HashMap本就不是线程安全的,多线程环境下共享一定要用线程安全的Map容器)
     */
    public static void main(String[] args) {
        String jdkVer = System.getProperty("java.version"); //JDK版本
        String jdkMod = System.getProperty("sun.arch.data.model"); //32位还是64位
        System.out.println(jdkVer +"#"+ jdkMod);

        final Map<String, String> map = new HashMap<>();
//        final Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        for(int i=0; i<30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    for(int j=0; j<1000; j++) {
                        map.put(""+j+"_"+System.currentTimeMillis(), ""+j+"_"+System.currentTimeMillis());
                    }
                }
            }, "myThread_"+i).start();
        }
    }
}

  通过jconsole查看Java进程情况:

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  最后只能强制结束进程

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分析

  HashMap使用hash表来作为其底层存储的数据结构(通过数组下标实现快速索引,链表实现元素碰撞处理),并且支持动态扩容,主要通过resize方法实现,也是从这个方法开始出问题的。(这里有两个面试官喜欢问的点:1.table的默认长度以及扩容前后大小?2.为什么要求table的长度必须是2的N次方?)

  因为整个HashMap都不是线程安全的,所以resize也未做同步,如果错误的在多线程环境下共享了HashMap就有可能引起我前面提到的假死锁问题。动态扩容的时候需要把旧的链表迁移到新的hash表中,如果是在多线程环境下,可能会形成循环链表,然而这个时候貌似一切正常,只有在再次put并遍历每个链表检查是否存在相同key,死循环就出现了(如果是get也会有同样的情况)。

下面是我整理转载自https://coolshell.cn/articles/9606.html的部分内容(写得太好了):

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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,注意高亮处:

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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);
        }
    }
}
  • 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<key,value> 重新rehash的过程

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并发下的Rehash

1)假设我们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。

我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节:

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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);

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

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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。我们可以看到链表的顺序被反转后。

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)

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3)一切安好。

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。

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4)环形链接出现。

e.next = newTable[i] 导致  key(3).next 指向了 key(7)

注意:此时的key(7).next 已经指向了key(3), 环形链表就这样出现了。

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于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(7)时,悲剧就出现了——Infinite Loop。

总结

  多线程并发环境下访问共享的map时一定要用线程安全的Map容器,如ConcurrentHashMap,HashTable等。

以上是关于Java基础:HashMap假死锁问题的测试分析和总结的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Java基础——HashMap设计原理&实现分析

Java基础——HashMap设计原理&实现分析

Java基础——HashMap源码分析

京东4面(Java研发):事务隔离+乐观锁+HashMap+秒杀设计+微服务

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