HashMap在并发下可能出现的问题分析

2019 Java 开发者跳槽指南.pdf (吐血整理)….>>>

点击上方“后端技术精选”,选择“置顶公众号”

技术文章第一时间送达!

作者:邴越

cnblogs.com/binyue/p/3726403.html

我们都知道,HashMap在并发环境下使用可能出现问题,但是具体表现,以及为什么出现并发问题,可能并不是所有人都了解,这篇文章记录一下HashMap在多线程环境下可能出现的问题以及如何避免。

在分析HashMap的并发问题前,先简单了解HashMap的put和get基本操作是如何实现的。

1.HashMap的put和get操作

大家知道HashMap内部实现是通过拉链法解决哈希冲突的,也就是通过链表的结构保存散列到同一数组位置的两个值,

put操作主要是判空,对key的hashcode执行一次HashMap自己的哈希函数,得到bucketindex位置,还有对重复key的覆盖操作。

对照源码分析一下具体的put操作是如何完成的:

public V put(K key, V value{
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        //得到key的hashcode,同时再做一次hash操作
        int hash = hash(key.hashCode());
        //对数组长度取余,决定下标位置
        int i = indexFor(hash, table.length);
        /**
          * 首先找到数组下标处的链表结点,
          * 判断key对一个的hash值是否已经存在,如果存在将其替换为新的value
          */

        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++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

涉及到的几个方法:

static int hash(int h) {
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

数据put完成以后,就是如何get,我们看一下get函数中的操作:

public V get(Object key{
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        /**
          * 先定位到数组元素,再遍历该元素处的链表
          * 判断的条件是key的hash值相同,并且链表的存储的key值和传入的key值相同
          */

        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
}

看一下链表的结点数据结构,保存了四个字段,包括key,value,key对应的hash值以及链表的下一个节点:

static class Entry<K,Vimplements Map.Entry<K,V{
       final K key;//Key-value结构的key
       V value;//存储值
       Entry<K,V> next;//指向下一个链表节点
       final int hash;//哈希值
 }

2.Rehash/再散列扩展内部数组长度

哈希表结构是结合了数组和链表的优点,在最好情况下,查找和插入都维持了一个较小的时间复杂度O(1),不过结合HashMap的实现,考虑下面的情况,如果内部Entry[] tablet的容量很小,或者直接极端化为table长度为1的场景,那么全部的数据元素都会产生碰撞,这时候的哈希表成为一条单链表,查找和添加的时间复杂度变为O(N),失去了哈希表的意义。

所以哈希表的操作中,内部数组的大小非常重要,必须保持一个平衡的数字,使得哈希碰撞不会太频繁,同时占用空间不会过大。

这就需要在哈希表使用的过程中不断的对table容量进行调整,看一下put操作中的addEntry()方法:

void addEntry(int hash, K key, V valueint bucketIndex{
   Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
       table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
       if (size++ >= threshold)
           resize(2 * table.length);
   }

这里面resize的过程,就是再散列调整table大小的过程,默认是当前table容量的两倍。

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];
       //初始化一个大小为oldTable容量两倍的新数组newTable
       transfer(newTable);
       table = newTable;
       threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
   }

关键的一步操作是transfer(newTable),这个操作会把当前Entry[] table数组的全部元素转移到新的table中,这个transfer的过程在并发环境下会发生错误,导致数组链表中的链表形成循环链表,在后面的get操作时e = e.next操作无限循环,Infinite Loop出现。

下面具体分析HashMap的并发问题的表现以及如何出现的。

3.HashMap在多线程put后可能导致get无限循环

HashMap在并发环境下多线程put后可能导致get死循环,具体表现为CPU使用率100%,看一下transfer的过程:

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 {
        //假设第一个线程执行到这里因为某种原因挂起
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

这里引用酷壳陈皓的博文:

http://coolshell.cn/articles/9606.html

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:

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。

HashMap在并发下可能出现的问题分析

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)

HashMap在并发下可能出现的问题分析

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。

HashMap在并发下可能出现的问题分析

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。

HashMap在并发下可能出现的问题分析


于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop。

针对上面的分析模拟这个例子,

这里在run中执行了一个自增操作,i++非原子操作,使用AtomicInteger避免可能出现的问题:

public class MapThread extends Thread{
        /**
         * 类的静态变量是各个实例共享的,因此并发的执行此线程一直在操作这两个变量
         * 选择AtomicInteger避免可能的int++并发问题
         */

         private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
         //初始化一个table长度为1的哈希表
         private static HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>(1);
         //如果使用ConcurrentHashMap,不会出现类似的问题
//       private static ConcurrentHashMap<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<Integer, Integer>(1);

         public void run()
          
{
              while (ai.get() < 100000)
              {  //不断自增
                  map.put(ai.get(), ai.get());
                  ai.incrementAndGet();
               }

              System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程即将结束");
          }
    }

测试一下:

public static void main(String[] args){
         MapThread t0 = new MapThread();
         MapThread t1 = new MapThread();
         MapThread t2 = new MapThread();
         MapThread t3 = new MapThread();
         MapThread t4 = new MapThread();
         MapThread t5 = new MapThread();
         MapThread t6 = new MapThread();
         MapThread t7 = new MapThread();
         MapThread t8 = new MapThread();
         MapThread t9 = new MapThread();

         t0.start();
         t1.start();
         t2.start();
         t3.start();
         t4.start();
         t5.start();
         t6.start();
         t7.start();
         t8.start();
         t9.start();

    }

注意并发问题并不是一定会产生,可以多执行几次,我试验了上面的代码很容易产生无限循环,控制台不能终止,有线程始终在执行中,这是其中一个死循环的控制台截图,可以看到六个线程顺利完成了put工作后销毁,还有四个线程没有输出,卡在了put阶段,感兴趣的可以断点进去看一下:

HashMap在并发下可能出现的问题分析

上面的代码,如果把注释打开,换用ConcurrentHashMap就不会出现类似的问题。

4.多线程put的时候可能导致元素丢失

HashMap另外一个并发可能出现的问题是,可能产生元素丢失的现象。

考虑在多线程下put操作时,执行addEntry(hash, key, value, i),如果有产生哈希碰撞,导致两个线程得到同样的bucketIndex去存储,就可能会出现覆盖丢失的情况:

void addEntry(int hash, K key, V valueint bucketIndex{
    //多个线程操作数组的同一个位置
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

5.使用线程安全的哈希表容器

那么如何使用线程安全的哈希表结构呢,这里列出了几条建议:

  • 使用Hashtable 类,Hashtable 是线程安全的;

  • 使用并发包下的java.util.concurrent.ConcurrentHashMap,ConcurrentHashMap实现了更高级的线程安全;

  • 或者使用synchronizedMap() 同步方法包装 HashMap object,得到线程安全的Map,并在此Map上进行操作。

参考

http://coolshell.cn/articles/9606.html


推荐阅读(点击即可跳转阅读)

1. SpringBoot内容聚合

2. 面试题内容聚合

3. 设计模式内容聚合

4. Mybatis内容聚合

5. 多线程内容聚合

HashMap在并发下可能出现的问题分析

原文始发于微信公众号(后端技术精选):HashMap在并发下可能出现的问题分析