多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

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Java的HashMap是非线程安全的。多线程下应该用ConcurrentHashMap。

多线程下[HashMap]的问题(这里主要说死循环问题):

  • 多线程put操作后,get操作导致死循环。
  • 多线程put非NULL元素后,get操作得到NULL值。
  • 多线程put操作,导致元素丢失。

1、为何出现死循环?(在多线程下使用非线程安全的HashMap,单线程根本不会出现)

  • HashMap是采用链表解决Hash冲突,因为是链表结构,那么就很容易形成闭合的链路,这样在循环的时候只要有线程对这个HashMap进行get操作就会产生死循环。
  • 在单线程情况下,只有一个线程对HashMap的数据结构进行操作,是不可能产生闭合的回路的。
  • 那就只有在多线程并发的情况下才会出现这种情况,那就是在put操作的时候,如果size>initialCapacity*loadFactor,那么这时候HashMap就会进行rehash操作,随之HashMap的结构就会发生翻天覆地的变化。很有可能就是在两个线程在这个时候同时触发了rehash操作,产生了闭合的回路。

2、如何产生的:

存储数据put()

 public V put(K key, V value)
 
{
  ......
  //算Hash值
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  //如果该key已被插入,则替换掉旧的value (链接操作)
  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++;
  //该key不存在,需要增加一个结点
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }

当我们往HashMap中put元素的时候,先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置(即下标),然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。

如果这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的元素放在链头,而先前加入的放在链尾。

检查容量是否超标addEntry:

 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
 
{
  Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
  //查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold,如果超过,需要resize
  if (size++ >= threshold)
   resize(2 * table.length);
 }

如果现在size已经超过了threshold,那么就要进行resize操作,新建一个更大尺寸的hash表,然后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

调整Hash表大小resize:

 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);
 }

当table[]数组容量较小,容易产生哈希碰撞,所以,Hash表的尺寸和容量非常的重要。

一般来说,Hash表这个容器当有数据要插入时,都会检查容量有没有超过设定的thredhold,如果超过,需要增大Hash表的尺寸,这个过程称为resize。

多个线程同时往HashMap添加新元素时,多次resize会有一定概率出现死循环,因为每次resize需要把旧的数据映射到新的哈希表,这一部分代码在HashMap#transfer() 方法,如下:

 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;//取出第一个元素
     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
     e.next = newTable[i];
     newTable[i] = e;
     e = next;
    } while (e != null);
   }
  }
 }

标红代码是导致多线程使用hashmap出现CUP使用率骤增,出现死循环,从而多个线程阻塞的罪魁祸首。另外推荐:Java进阶视频资源

3、图解HashMap死循环:

正常的ReHash的过程(单线程):假设了我们的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。

多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

并发下的Rehash(多线程)

1)假设我们有两个线程。

 do {
  Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了,执行其他操作
  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:

多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

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。在这里线程一变成了操作经过线程二操作后的HashMap。

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)
多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

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。这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,而先前加入的放在链尾。

多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

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。

多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

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

这里介绍了在多线程下为什么HashMap会出现死循环,不过在真实的生产环境下,不会使用线程不安全的HashMap的。

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原文始发于微信公众号(Java知音):多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?