JDK 1.7及之前——HashMap死循环问题解析

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-11-29 11:50 56阅读 0赞

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个CPU被100%的线上故障，并且这个事发生了很多次，原因是在Java语言在并发情况下使用HashMap造成Race Condition，从而导致死循环。这个事情我4、5年前也经历过，本来觉得没什么好写的，因为Java的HashMap是非线程安全的，所以在并发下必然出现问题。但是，我发现近几年，很多人都经历过这个事（在网上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在说这个事）所以，觉得这个是个普遍问题，需要写篇疫苗文章说一下这个事，并且给大家看看一个完美的“Race Condition”是怎么形成的。

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，应该用ConcurrentHashMap。

但是在这里我们可以来研究一下原因。

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]》）。

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，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。

HashMap的rehash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：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 </td> 
 <td> <code>public</code>&nbsp;<code>V put(K key, V value)</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>......</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//算Hash值</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>hash = hash(key.hashCode());</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>i = indexFor(hash, table.length);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//如果该key已被插入，则替换掉旧的value （链接操作）</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>for</code>&nbsp;<code>(Entry&lt;K,V&gt; e = table[i]; e !=&nbsp;</code><code>null</code><code>; e = e.next) { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Object k;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code>&nbsp;<code>(e.hash == hash &amp;&amp; ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>V oldValue = e.value;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e.value = value;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e.recordAccess(</code><code>this</code><code>);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>oldValue;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>modCount++;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//该key不存在，需要增加一个结点</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>addEntry(hash, key, value, i);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>null</code><code>;</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

检查容量是否超标

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 </td> 
 <td> <code>void</code>&nbsp;<code>addEntry(</code><code>int</code>&nbsp;<code>hash, K key, V value,&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>bucketIndex)</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry&lt;K,V&gt; e = table[bucketIndex];</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>table[bucketIndex] =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>Entry&lt;K,V&gt;(hash, key, value, e);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//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</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code>&nbsp;<code>(size++ &gt;= threshold)</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>resize(</code><code>2</code>&nbsp;<code>* table.length);</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 </td> 
 <td> <code>void</code>&nbsp;<code>resize(</code><code>int</code>&nbsp;<code>newCapacity)</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry[] oldTable = table;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>oldCapacity = oldTable.length;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>......</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//创建一个新的Hash Table</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry[] newTable =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>Entry[newCapacity];</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>transfer(newTable);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>table = newTable;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>threshold = (</code><code>int</code><code>)(newCapacity * loadFactor);</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

迁移的源代码，注意高亮处：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 </td> 
 <td> <code>void</code>&nbsp;<code>transfer(Entry[] newTable)</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry[] src = table;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>newCapacity = newTable.length;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//下面这段代码的意思是：</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//&nbsp; 从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>for</code>&nbsp;<code>(</code><code>int</code>&nbsp;<code>j =&nbsp;</code><code>0</code><code>; j &lt; src.length; j++) { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry&lt;K,V&gt; e = src[j];</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code>&nbsp;<code>(e !=&nbsp;</code><code>null</code><code>) { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>src[j] =&nbsp;</code><code>null</code><code>;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>do</code>&nbsp;<code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry&lt;K,V&gt; next = e.next;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>i = indexFor(e.hash, newCapacity);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e.next = newTable[i];</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>newTable[i] = e;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e = next;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}&nbsp;</code><code>while</code>&nbsp;<code>(e !=&nbsp;</code><code>null</code><code>);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

好了，这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。

正常的ReHash的过程

画了个图做了个演示。

*  我假设了我们的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

![format_png][]

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：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 </td> 
 <td> <code>do</code>&nbsp;<code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Entry&lt;K,V&gt; next = e.next;&nbsp;</code><code>// &lt;--假设线程一执行到这里就被调度挂起了</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>i = indexFor(e.hash, newCapacity);</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e.next = newTable[i];</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>newTable[i] = e;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>e = next;</code> <code>}&nbsp;</code><code>while</code>&nbsp;<code>(e !=&nbsp;</code><code>null</code><code>);</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

![format_png 1][]

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)**

![format_png 2][]

**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**。

![format_png 3][]

**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。**

![format_png 4][]

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

其它

有人把这个问题报给了Sun，不过Sun不认为这个是一个问题。因为HashMap本来就不支持并发。要并发就用ConcurrentHashmap

[http://bugs.sun.com/bugdatabase/view\_bug.do?bug\_id=6423457][http_bugs.sun.com_bugdatabase_view_bug.do_bug_id_6423457]

我在这里把这个事情记录下来，只是为了让大家了解并体会一下并发环境下的危险。

参考：[http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html][http_mailinator.blogspot.com_2009_06_beautiful-race-condition.html]

从JDK1.8开始，[HashMap多线程put不会造成死循环][HashMap_put]，但是HashMap仍然不是线程安全的，请参考

[https://blog.csdn.net/LovePluto/article/details/79712473][https_blog.csdn.net_LovePluto_article_details_79712473]

e.next = newTable\[i\];假设e = 3,此时newTable\[\]是个新的、空的数组，所以3.next = newTable\[i\] = null呀

[Hash Collision DoS]: https://coolshell.cn/articles/6424.html
[format_png]: /images/20221124/56ee435a7f0444d9adc5f1faaa979c7c.png
[format_png 1]: /images/20221124/2864e27dc18c4b1bb7e6d9bed7ec1560.png
[format_png 2]: /images/20221124/e313cd9d8f724d0682c16a4d6e783383.png
[format_png 3]: /images/20221124/ab304a4155ac4b19baa8ec5010c95bad.png
[format_png 4]: /images/20221124/4776be9f705f4324b3fd250864dc33e0.png
[http_bugs.sun.com_bugdatabase_view_bug.do_bug_id_6423457]: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457
[http_mailinator.blogspot.com_2009_06_beautiful-race-condition.html]: http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html
[HashMap_put]: https://blog.csdn.net/qq_27007251/article/details/71403647
[https_blog.csdn.net_LovePluto_article_details_79712473]: https://blog.csdn.net/LovePluto/article/details/79712473