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程序員的成長之路

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閱讀本文大概需要 5.5?分鐘。

作者：developer_chan

cnblogs.com/developer_chan/p/10450908.html

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，本文將對該問題進(jìn)行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中對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?map?=?new?HashMap<>();

????@Override
????public?void?run()?{
????????while?(ai.get()?1000000)?{
????????????map.put(ai.get(),?ai.get());
????????????ai.incrementAndGet();
????????}
????}
}

上述代碼比較簡單，就是開多個線程不斷進(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：

其中有幾次還會出現(xiàn)數(shù)組越界的情況：

這里我們著重分析為什么會出現(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?e?:?table)?{
????????????while(null?!=?e)?{
????????????????Entry?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翻轉(zhuǎn)，這里也是形成死循環(huán)的關(guān)鍵點。

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，因為該函數(shù)在這里分析的地位非常重要，因此再次貼出來。

此時線程A中運行結(jié)果如下：

線程A掛起后，此時線程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：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。

此時切換到線程A上，在線程A掛起時內(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：

線程A和線程B進(jìn)行put操作，同樣線程A掛起：

此時線程A的運行結(jié)果如下：

此時線程B已獲得CPU時間片，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。

此時切換到線程A，在線程A掛起時：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時造成死循環(huán)。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中對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[]?tab;?Node?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?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)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碰撞則會直接插入元素。如果線程A和線程B同時進(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時間片，此時線程A不用再進(jìn)行hash判斷了，問題出現(xiàn)：線程A會把線程B插入的數(shù)據(jù)給覆蓋，發(fā)生線程不安全。