HashMap線程的不安全體現(xiàn)在哪兒？
前言：我們都知道HashMap是線程不安全的，在多線程環(huán)境中不建議使用，但是其線程不安全主要體現(xiàn)在什么地方呢，本文將對(duì)該問題進(jìn)行解密。
1.jdk1.7中的HashMap
在jdk1.8中對(duì)HashMap做了很多優(yōu)化，這里先分析在jdk1.7中的問題，相信大家都知道在jdk1.7多線程環(huán)境下HashMap容易出現(xiàn)死循環(huán)，這里我們先用代碼來模擬出現(xiàn)死循環(huán)的情況：
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
HashMapThread thread0 = new HashMapThread();
HashMapThread thread1 = new HashMapThread();
HashMapThread thread2 = new HashMapThread();
HashMapThread thread3 = new HashMapThread();
HashMapThread thread4 = new HashMapThread();
thread0.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
thread4.start();
}
}
class HashMapThread extends Thread {
private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
private static Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
@Override
public void run() {
while (ai.get() < 1000000) {
map.put(ai.get(), ai.get());
ai.incrementAndGet();
}
}
}
上述代碼比較簡(jiǎn)單，就是開多個(gè)線程不斷進(jìn)行put操作，并且HashMap與AtomicInteger都是全局共享的。在多運(yùn)行幾次該代碼后，出現(xiàn)如下死循環(huán)情形：
其中有幾次還會(huì)出現(xiàn)數(shù)組越界的情況：
這里我們著重分析為什么會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)的情況，通過jps和jstack命名查看死循環(huán)情況，結(jié)果如下：
從堆棧信息中可以看到出現(xiàn)死循環(huán)的位置，通過該信息可明確知道死循環(huán)發(fā)生在HashMap的擴(kuò)容函數(shù)中，根源在transfer函數(shù)中，jdk1.7中HashMap的transfer函數(shù)如下：
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;
}
}
}
總結(jié)下該函數(shù)的主要作用：
在對(duì)table進(jìn)行擴(kuò)容到newTable后，需要將原來數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到newTable中，注意10-12行代碼，這里可以看出在轉(zhuǎn)移元素的過程中，使用的是頭插法，也就是鏈表的順序會(huì)翻轉(zhuǎn)，這里也是形成死循環(huán)的關(guān)鍵點(diǎn)。下面進(jìn)行詳細(xì)分析。
1.1 擴(kuò)容造成死循環(huán)分析過程
前提條件：
這里假設(shè)
hash算法為簡(jiǎn)單的用key mod鏈表的大小。 最開始hash表size=2，key=3,7,5，則都在table[1]中。 然后進(jìn)行resize，使size變成4。
未resize前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
如果在單線程環(huán)境下，最后的結(jié)果如下：
這里的轉(zhuǎn)移過程，不再進(jìn)行詳述，只要理解transfer函數(shù)在做什么，其轉(zhuǎn)移過程以及如何對(duì)鏈表進(jìn)行反轉(zhuǎn)應(yīng)該不難。
然后在多線程環(huán)境下，假設(shè)有兩個(gè)線程A和B都在進(jìn)行put操作。線程A在執(zhí)行到transfer函數(shù)中第11行代碼處掛起，因?yàn)樵摵瘮?shù)在這里分析的地位非常重要，因此再次貼出來。
此時(shí)線程A中運(yùn)行結(jié)果如下：
線程A掛起后，此時(shí)線程B正常執(zhí)行，并完成resize操作，結(jié)果如下：
這里需要特別注意的點(diǎn)：由于線程B已經(jīng)執(zhí)行完畢，根據(jù)Java內(nèi)存模型，現(xiàn)在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。
此時(shí)切換到線程A上，在線程A掛起時(shí)內(nèi)存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代碼執(zhí)行過程如下：
newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=7
此時(shí)結(jié)果如下：
繼續(xù)循環(huán)：
e=7
next=e.next ----> next=3【從主存中取值】
e.next=newTable[3] ----> e.next=3【從主存中取值】
newTable[3]=e ----> newTable[3]=7
e=next ----> e=3
結(jié)果如下：
再次進(jìn)行循環(huán)：
e=3
next=e.next ----> next=null
e.next=newTable[3] ----> e.next=7 即：3.next=7
newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=null
注意此次循環(huán)：e.next=7，而在上次循環(huán)中7.next=3，出現(xiàn)環(huán)形鏈表，并且此時(shí)e=null循環(huán)結(jié)束。
結(jié)果如下：
在后續(xù)操作中只要涉及輪詢hashmap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就會(huì)在這里發(fā)生死循環(huán)，造成悲劇。
1.2 擴(kuò)容造成數(shù)據(jù)丟失分析過程
遵照上述分析過程，初始時(shí)：
線程A和線程B進(jìn)行put操作，同樣線程A掛起：此時(shí)線程A的運(yùn)行結(jié)果如下：
此時(shí)線程B已獲得CPU時(shí)間片，并完成resize操作：
同樣注意由于線程B執(zhí)行完成，newTable和table都為最新值：5.next=null。
此時(shí)切換到線程A，在線程A掛起時(shí)：e=7，next=5，newTable[3]=null。
執(zhí)行newtable[i]=e，就將7放在了table[3]的位置，此時(shí)next=5。接著進(jìn)行下一次循環(huán)：
e=5
next=e.next ----> next=null，從主存中取值
e.next=newTable[1] ----> e.next=5，從主存中取值
newTable[1]=e ----> newTable[1]=5
e=next ----> e=null
將5放置在table[1]位置，此時(shí)e=null循環(huán)結(jié)束，3元素丟失，并形成環(huán)形鏈表。并在后續(xù)操作hashmap時(shí)造成死循環(huán)。
2.jdk1.8中HashMap
在jdk1.8中對(duì)HashMap進(jìn)行了優(yōu)化，在發(fā)生hash碰撞，不再采用頭插法方式，而是直接插入鏈表尾部，因此不會(huì)出現(xiàn)環(huán)形鏈表的情況，但是在多線程的情況下仍然不安全，這里我們看jdk1.8中HashMap的put操作源碼：
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果沒有hash碰撞則直接插入元素
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
這是jdk1.8中HashMap中put操作的主函數(shù)， 注意第6行代碼，如果沒有hash碰撞則會(huì)直接插入元素。如果線程A和線程B同時(shí)進(jìn)行put操作，剛好這兩條不同的數(shù)據(jù)hash值一樣，并且該位置數(shù)據(jù)為null，所以這線程A、B都會(huì)進(jìn)入第6行代碼中。
假設(shè)一種情況，線程A進(jìn)入后還未進(jìn)行數(shù)據(jù)插入時(shí)掛起，而線程B正常執(zhí)行，從而正常插入數(shù)據(jù)，然后線程A獲取CPU時(shí)間片，此時(shí)線程A不用再進(jìn)行hash判斷了，問題出現(xiàn)：線程A會(huì)把線程B插入的數(shù)據(jù)給覆蓋，發(fā)生線程不安全。
這里只是簡(jiǎn)要分析下jdk1.8中HashMap出現(xiàn)的線程不安全問題的體現(xiàn)，后續(xù)將會(huì)對(duì)java的集合框架進(jìn)行總結(jié)，到時(shí)再進(jìn)行具體分析。
總結(jié)
首先HashMap是線程不安全的，其主要體現(xiàn)：
在jdk1.7中，在多線程環(huán)境下，擴(kuò)容時(shí)會(huì)造成環(huán)形鏈或數(shù)據(jù)丟失。
在jdk1.8中，在多線程環(huán)境下，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋的情況。