1、关于HashMap在多线程下的不安全分析

末蓝、 2022-08-22 01:30 127阅读 0赞

原文网址:http://coolshell.cn/articles/9606.html/comment-page-1\#comments

**1、问题的症状**

从前我们的Java代码因为一些原因使用了HashMap这个东西，但是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，我们的程序性能有问题，所以需要变成多线程的，于是，变成多线程后到了线上，发现程序经常占了100%的CPU，查看堆栈，你会发现程序都Hang在了HashMap.get()这个方法上了，重启程序后问题消失。但是过段时间又会来。而且，这个问题在测试环境里可能很难重现。我们简单的看一下我们自己的代码，我们就知道HashMap被多个线程操作。而Java的文档说HashMap是非线程安全的，应该ConcurrentHashMap。

但是在这里我们可以来研究一下原因。

**2、Hash表数据结构**

我需要简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap通常会用一个指针数组（假设为table\[\]）来做分散所有的key，当一个key被加入时，会通过Hash算法通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个<key, value>插到table\[i\]中，如果有两个不同的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table\[i\]上形成一个链表。我们知道，**如果table\[\]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10个keys的话，那么碰撞非常频繁，于是一个O(1)的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了O(n)，这是Hash表的缺陷**（可参看《[Hash Collision DoS 问题][Hash Collision DoS]》）。

/**
         * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
         */
        transient Entry[] table;

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thredshold，如果超过，需要增大Hash表的尺寸，但是这样一来**，整个Hash表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。**相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。

**3、HashMap的源代码**

下面，我们来看一下Java的HashMap的源代码。

Put一个Key,Value对到Hash表中：

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;

检查容量是否超标

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);
 }

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。

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：

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);
 }
 }
 }

好了，这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。

**4、正常的ReHash的过程**

画个图做个演示

1.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）

2.最上面的是old hash 表,其中哈希表的size=2，所以key=3,5,7，在 mod 2 以后都冲突在table\[1\]里面

3.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

![20160510211703736][]

5、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。

![20160510211855503][]

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)**

![20160510212047707][]

**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。

![20160510212201671][]

**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。

![20160510212205895][]

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

[Hash Collision DoS]: http://coolshell.cn/articles/6424.html
[20160510211703736]: /images/20220724/429882d7703040abbe6c4b710c358e22.png
[20160510211855503]: /images/20220724/5b6d1050b06246e5a89bd94ad7699e4c.png
[20160510212047707]: /images/20220724/71554bd61a0d4e0080abe8874750ad46.png
[20160510212201671]: /images/20220724/21c6338cb9694a9ebe59b1a0d6cf0949.png
[20160510212205895]: /images/20220724/1f5e53f3a28945a4b6e846d56c68bd5f.png