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HashMap 為什么線程不安全？

1.jdk1.7中的HashMap

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  • 1.1 擴容造成死循環(huán)分析過程
  • 1.2 擴容造成數(shù)據(jù)丟失分析過程

2.jdk1.8中HashMap

總結(jié)

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：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. public class HashMapTest { 
    2.   
  
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  
  3.      public static void main(String[] args) { 
    4.   
  
  
  
  4.          HashMapThread thread0 = new HashMapThread(); 
    5.   
  
  
  
  5.          HashMapThread thread1 = new HashMapThread(); 
    6.   
  
  
  
  6.          HashMapThread thread2 = new HashMapThread(); 
    7.   
  
  
  
  7.          HashMapThread thread3 = new HashMapThread(); 
    8.   
  
  
  
  8.          HashMapThread thread4 = new HashMapThread(); 
    9.   
  
  
  
  9.          thread0.start(); 
    10.   
  
  
  
  10.          thread1.start(); 
    11.   
  
  
  
  11.          thread2.start(); 
    12.   
  
  
  
  12.          thread3.start(); 
    13.   
  
  
  
  13.          thread4.start(); 
    14.   
  
  
  
  14.      } 
    15.   
  
  
  
  15.  } 
    16.   
  
  
  
  16.  
    17.   
  
  
  
  17.  class HashMapThread extends Thread { 
    18.   
  
  
  
  18.      private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(); 
    19.   
  
  
  
  19.      private static Map map = new HashMap<>(); 
    20.   
  
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  
  21.      @Override 
    22.   
  
  
  
  22.      public void run() { 
    23.   
  
  
  
  23.          while (ai.get() < 1000000) { 
    24.   
  
  
  
  24.              map.put(ai.get(), ai.get()); 
    25.   
  
  
  
  25.              ai.incrementAndGet(); 
    26.   
  
  
  
  26.          } 
    27.   
  
  
  
  27.      } 
    28.   
  
  
  
  28.  } 
    29.

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的擴容函數(shù)中，根源在transfer函數(shù)中，jdk1.7中HashMap的transfer函數(shù)如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { 
    2.   
  
  
  
  2.          int newCapacity = newTable.length; 
    3.   
  
  
  
  3.          for (Entry e : table) { 
    4.   
  
  
  
  4.              while(null != e) { 
    5.   
  
  
  
  5.                  Entry next = e.next; 
    6.   
  
  
  
  6.                  if (rehash) { 
    7.   
  
  
  
  7.                      e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key); 
    8.   
  
  
  
  8.                  } 
    9.   
  
  
  
  9.                  int i = indexFor(e.hash, newCapacity); 
    10.   
  
  
  
  10.                  e.next = newTable[i]; 
    11.   
  
  
  
  11.                  newTable[i] = e; 
    12.   
  
  
  
  12.                  e = next; 
    13.   
  
  
  
  13.              } 
    14.   
  
  
  
  14.          } 
    15.   
  
  
  
  15.      } 
    16.

總結(jié)下該函數(shù)的主要作用：

在對table進(jìn)行擴容到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 擴容造成死循環(huán)分析過程

前提條件：

這里假設(shè)

#1.hash算法為簡單的用key mod鏈表的大小。

#2.最開始hash表size=2，key=3,7,5，則都在table[1]中。

#3.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：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. newTable[3]=e ----> newTable[3]=3 
    2.   
  
  
  
  2. e=next ----> e=7 
    3.

此時結(jié)果如下：

繼續(xù)循環(huán)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=7 
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=3【從主存中取值】 
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[3] ----> e.next=3【從主存中取值】 
    4.   
  
  
  
  4. newTable[3]=e ----> newTable[3]=7 
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=3 
    6.

結(jié)果如下：

再次進(jìn)行循環(huán)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=3 
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=null 
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[3] ----> e.next=7 即：3.next=7 
    4.   
  
  
  
  4. newTable[3]=e ----> newTable[3]=3 
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=null 
    6.

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)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=5 
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=null，從主存中取值 
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[1] ----> e.next=5，從主存中取值 
    4.   
  
  
  
  4. newTable[1]=e ----> newTable[1]=5 
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=null 
    6.

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：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 
    2.   
  
  
  
  2.                     boolean evict) { 
    3.   
  
  
  
  3.          Node[] tab; Node p; int n, i; 
    4.   
  
  
  
  4.          if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 
    5.   
  
  
  
  5.              n = (tab = resize()).length; 
    6.   
  
  
  
  6.          if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果沒有hash碰撞則直接插入元素 
    7.   
  
  
  
  7.              tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 
    8.   
  
  
  
  8.          else { 
    9.   
  
  
  
  9.              Node e; K k; 
    10.   
  
  
  
  10.              if (p.hash == hash && 
    11.   
  
  
  
  11.                  ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
    12.   
  
  
  
  12.                  e = p; 
    13.   
  
  
  
  13.              else if (p instanceof TreeNode) 
    14.   
  
  
  
  14.                  e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 
    15.   
  
  
  
  15.              else { 
    16.   
  
  
  
  16.                  for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 
    17.   
  
  
  
  17.                      if ((e = p.next) == null) { 
    18.   
  
  
  
  18.                          p.next = newNode(hash, key, value, null); 
    19.   
  
  
  
  19.                          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 
    20.   
  
  
  
  20.                              treeifyBin(tab, hash); 
    21.   
  
  
  
  21.                          break; 
    22.   
  
  
  
  22.                      } 
    23.   
  
  
  
  23.                      if (e.hash == hash && 
    24.   
  
  
  
  24.                          ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
    25.   
  
  
  
  25.                          break; 
    26.   
  
  
  
  26.                      p = e; 
    27.   
  
  
  
  27.                  } 
    28.   
  
  
  
  28.              } 
    29.   
  
  
  
  29.              if (e != null) { // existing mapping for key 
    30.   
  
  
  
  30.                  V oldValue = e.value; 
    31.   
  
  
  
  31.                  if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 
    32.   
  
  
  
  32.                      e.value = value; 
    33.   
  
  
  
  33.                  afterNodeAccess(e); 
    34.   
  
  
  
  34.                  return oldValue; 
    35.   
  
  
  
  35.              } 
    36.   
  
  
  
  36.          } 
    37.   
  
  
  
  37.          ++modCount; 
    38.   
  
  
  
  38.          if (++size > threshold) 
    39.   
  
  
  
  39.              resize(); 
    40.   
  
  
  
  40.          afterNodeInsertion(evict); 
    41.   
  
  
  
  41.          return null; 
    42.   
  
  
  
  42.      } 
    43.

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。

這里只是簡要分析下jdk1.8中HashMap出現(xiàn)的線程不安全問題的體現(xiàn)，后續(xù)將會對java的集合框架進(jìn)行總結(jié)，到時再進(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)：

#1.在jdk1.7中，在多線程環(huán)境下，擴容時會造成環(huán)形鏈或數(shù)據(jù)丟失。

#2.在jdk1.8中，在多線程環(huán)境下，會發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋的情況。


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