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阿里面试官:HashMap 为什么是线程不安全的?

Java大将军 阿里巴巴 架构师  2021-09-13 15:42:07

 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 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; }

复制代码

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 e = table[bucketIndex];  table[bucketIndex] = new Entry(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); }

复制代码

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); }

复制代码

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 e = src[j];   if (e != null) {    src[j] = null;    do {     Entry 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);   }  } }

复制代码

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 重新 rehash 的过程。

 

 

并发下的 Rehash(多线程)

1)假设我们有两个线程。

 do {  Entry 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);

复制代码

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子:

 

 

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)

 

 

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。

 

 

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。

 

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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