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谈谈HashMap线程不安全的体现

HashMap的原理以及如何实现,之前在 JDK7与JDK8中HashMap的实现 中已经说明了。

那么,为什么说HashMap是线程不安全的呢?它在多线程环境下,会发生什么情况呢?

1. resize死循环

我们都知道HashMap初始容量大小为16,一般来说,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表里的元素都需要被重算一遍。这叫rehash,这个成本相当的大。

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, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) {
            while(null != e) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                if (rehash) {
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
}

大概看下transfer:

  1. 对索引数组中的元素遍历
  2. 对链表上的每一个节点遍历:用 next 取得要转移那个元素的下一个,将 e 转移到新 Hash 表的头部,使用头插法插入节点。
  3. 循环2,直到链表节点全部转移
  4. 循环1,直到所有索引数组全部转移

经过这几步,我们会发现转移的时候是逆序的。假如转移前链表顺序是1->2->3,那么转移后就会变成3->2->1。这时候就有点头绪了,死锁问题不就是因为1->2的同时2->1造成的吗?所以,HashMap 的死锁问题就出在这个 transfer() 函数上。

1.1 单线程 rehash 详细演示

单线程情况下,rehash 不会出现任何问题:

  • 假设hash算法就是最简单的 key mod table.length(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以后碰撞发生在 table[1]
  • 接下来的三个步骤是 Hash表 resize 到4,并将所有的  <key,value>  重新rehash到新 Hash 表的过程

如图所示:

谈谈HashMap线程不安全的体现

1.2 多线程 rehash 详细演示

为了思路更清晰,我们只将关键代码展示出来

while(null != e) {
    Entry<K,V> next = e.next;
    e.next = newTable[i];
    newTable[i] = e;
    e = next;
}
  1. Entry<K,V> next = e.next; ——因为是单链表,如果要转移头指针,一定要保存下一个结点,不然转移后链表就丢了
  2. e.next = newTable[i]; ——e 要插入到链表的头部,所以要先用 e.next 指向新的 Hash 表第一个元素(为什么不加到新链表最后?因为复杂度是 O(N))
  3. newTable[i] = e; ——现在新 Hash 表的头指针仍然指向 e 没转移前的第一个元素,所以需要将新 Hash 表的头指针指向 e
  4. e = next ——转移 e 的下一个结点

假设这里有两个线程同时执行了 put() 操作,并进入了 transfer() 环节

while(null != e) {
    Entry<K,V> next = e.next; //线程1执行到这里被调度挂起了
    e.next = newTable[i];
    newTable[i] = e;
    e = next;
}

那么现在的状态为:

谈谈HashMap线程不安全的体现

从上面的图我们可以看到,因为线程1的 e 指向了 key(3),而 next 指向了 key(7),在线程2 rehash 后,就指向了线程2 rehash 后的链表。

然后线程1被唤醒了:

  1. 执行 e.next = newTable[i] ,于是 key(3)的 next 指向了线程1的新 Hash 表,因为新 Hash 表为空,所以 e.next = null
  2. 执行 newTable[i] = e ,所以线程1的新 Hash 表第一个元素指向了线程2新 Hash 表的 key(3)。好了,e 处理完毕。
  3. 执行 e = next ,将 e 指向 next,所以新的 e 是 key(7)

然后该执行 key(3)的 next 节点 key(7)了:

  1. 现在的 e 节点是 key(7),首先执行 Entry<K,V> next = e.next ,那么 next 就是 key(3)了
  2. 执行 e.next = newTable[i] ,于是key(7) 的 next 就成了 key(3)
  3. 执行 newTable[i] = e ,那么线程1的新 Hash 表第一个元素变成了 key(7)
  4. 执行 e = next ,将 e 指向 next,所以新的 e 是 key(3)

这时候的状态图为:

谈谈HashMap线程不安全的体现

然后又该执行 key(7)的 next 节点 key(3)了:

  1. 现在的 e 节点是 key(3),首先执行 Entry<K,V> next = e.next ,那么 next 就是 null
  2. 执行 e.next = newTable[i] ,于是key(3) 的 next 就成了 key(7)
  3. 执行 newTable[i] = e ,那么线程1的新 Hash 表第一个元素变成了 key(3)
  4. 执行 e = next ,将 e 指向 next,所以新的 e 是 key(7)

这时候的状态如图所示:

谈谈HashMap线程不安全的体现

很明显,环形链表出现了!!当然,现在还没有事情,因为下一个节点是 null,所以 transfer() 就完成了,等 put() 的其余过程搞定后,HashMap 的底层实现就是线程1的新 Hash 表了。

2. fail-fast

如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map,那么将抛出ConcurrentModificationException,这就是所谓fail-fast策略。

这个异常意在提醒开发者及早意识到线程安全问题,具体原因请查看 ConcurrentModificationException的原因以及解决措施

顺便再记录一个HashMap的问题:

为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键?String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了,而且String最为常用。因为String是不可变的,也是final的,而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的,因为为了要计算hashCode(),就要防止键值改变,如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话,那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的,那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法,那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话,那么碰撞的几率就会小些,这样就能提高HashMap的性能。

Reference:

1. http://hwl-sz.iteye.com/blog/1897468?utm_source=tuicool&utm_medium=referral

2. http://github.thinkingbar.com/hashmap-infinite-loop/

3. http://www.importnew.com/7099.html

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