HashMap在高并发下引起的死循环

水深无声 2021-06-11 15:12 332阅读 0赞

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HashMap事实上并非线程安全的，在高并发的情况下，是非常可能发生死循环的，由此造成CPU 100%，这是非常可怕的。所以在多线程的情况下，用HashMap是非常不妥当的行为，应採用线程安全类ConcurrentHashMap进行取代。

# HashMap死循环原因 #

HashMap进行存储时，假设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原代码

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(newTable);
            table = newTable;
            threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
        }

而这段代码中又调用了transfer()方法，而这种方法实现的机制就是将每一个链表转化到新链表，而且链表中的位置发生反转，而这在多线程情况下是非常easy造成链表回路。从而发生get()死循环。我们看一下他的源码

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，以及链表 a=》b=》null

1、P1先运行，运行完"Entry<K,V> next = e.next;"代码后发生堵塞，或者其它情况不再运行下去，此时e=a。next=b

2、而P2已经运行完整段代码，于是当前的新链表newTable\[i\]为b=》a=》null

3、P1又继续运行"Entry<K,V> next = e.next;"之后的代码，则运行完"e=next;"后，newTable\[i\]为a《=》b。则造成回路，while(e!=null)一直死循环

# 总结 #

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

图示：

今天研读Java并发容器和框架时，看到为什么要使用ConcurrentHashMap时，其中有一个原因是：线程不安全的HashMap, HashMap在并发执行put操作时会引起死循环，是因为多线程会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，查找时会陷入死循环。纠起原因看了其他的博客，都比较抽象，所以这里以图形的方式展示一下，希望支持！

（1）当往HashMap中添加元素时，会引起HashMap容器的扩容，原理不再解释，直接附源代码，如下：

![复制代码][copycode.gif]

1 /**  
     2     *  
     3     * 往表中添加元素，如果插入元素之后，表长度不够，便会调用resize方法扩容  
     4     */    
     5    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {    
     6 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];    
     7        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);    
     8        if (size++ >= threshold)    
     9            resize(2 * table.length);    
    10    }    
    11     
    12    /**  
    13     * resize()方法如下，重要的是transfer方法，把旧表中的元素添加到新表中 
    14     */    
    15    void resize(int newCapacity) {    
    16        Entry[] oldTable = table;    
    17        int oldCapacity = oldTable.length;    
    18        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {    
    19            threshold = Integer.MAX_VALUE;    
    20            return;    
    21        }    
    22     
    23        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];    
    24        transfer(newTable);    
    25        table = newTable;    
    26        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);    
    27    }

![复制代码][copycode.gif]

（2）参考上面的代码，便引入到了transfer方法，（引入重点）这就是HashMap并发时，会引起死循环的根本原因所在，下面结合transfer的源代码，说明一下产生死循环的原理，先列transfer代码（这是里JDK7的源偌），如下：

![复制代码][copycode.gif]

1 /** 
     2      * Transfers all entries from current table to newTable. 
     3      */  
     4     void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {  
     5         int newCapacity = newTable.length;  
     6         for (Entry<K,V> e : table) {  
     7   
     8             while(null != e) {  
     9                 Entry<K,V> next = e.next;            ---------------------(1)  
    10                 if (rehash) {  
    11                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);  
    12                 }  
    13                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);   
    14                 e.next = newTable[i];  
    15                 newTable[i] = e;  
    16                 e = next;  
    17             } // while  
    18   
    19         }  
    20     }

![复制代码][copycode.gif]

（3）假设：

1 Map<Integer> map = new HashMap<Integer>(2);  // 只能放置两个元素，其中的threshold为1（表中只填充一个元素时），即插入元素为1时就扩容（由addEntry方法中得知）  
    2 //放置2个元素 3 和 7，若要再放置元素8（经hash映射后不等于1）时，会引起扩容

假设放置结果图如下：

![1363081-20180511122032563-398997032.png][]

现在有两个线程A和B，都要执行put操作，即向表中添加元素，即线程A和线程B都会看到上面图的状态快照

执行顺序如下：

执行一：  线程A执行到transfer函数中（1）处挂起（transfer函数代码中有标注）。此时在线程A的栈中

1 e = 3  
    2 next = 7

执行二：线程B执行 transfer函数中的while循环，即会把原来的table变成新一table（线程B自己的栈中），再写入到内存中。如下图（假设两个元素在新的hash函数下也会映射到同一个位置）

![1363081-20180511122154042-1075170253.png][]

执行三： 线程A解挂，接着执行（看到的仍是旧表），即从transfer代码（1）处接着执行，当前的 e = 3, next = 7, 上面已经描述。

1. 处理元素 3 ， 将 3 放入 线程A自己栈的新table中（新table是处于线程A自己栈中，是线程私有的，不肥线程2的影响），处理3后的图如下：

![1363081-20180511122223900-1445391254.png][]

2.  线程A再复制元素 7 ，当前 e = 7 ,而next值由于线程 B 修改了它的引用，所以next 为 3 ，处理后的新表如下图

![1363081-20180511122248844-1039586860.png][]

3. 由于上面取到的next = 3, 接着while循环，即当前处理的结点为3， next就为null ，退出while循环，执行完while循环后，新表中的内容如下图：

![1363081-20180511122314655-457688730.png][]

4. 当操作完成，执行查找时，会陷入死循环！

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[copycode.gif]: /images/20210527/8643c9a0d31b422886f7c17181d65ff4.png
[1363081-20180511122032563-398997032.png]: /images/20210527/2d7a7c9bcc384a7996207fdd4772d679.png
[1363081-20180511122154042-1075170253.png]: /images/20210527/1539ca246ebc4c4cb6c0b609cd6020a9.png
[1363081-20180511122223900-1445391254.png]: /images/20210527/b99d28f509c54aa2b4cdffaa835e9228.png
[1363081-20180511122248844-1039586860.png]: /images/20210527/0e9649cc8dad49f7b65d8765c4cca3f7.png
[1363081-20180511122314655-457688730.png]: /images/20210527/8a872265e9e14fef94e8b561eb05a076.png