HashMap 线程不安全的体现

忘是亡心i 2021-08-19 13:08 345阅读 0赞

前言：我们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

### 1. jdk1.7中的HashMap ###

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

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

上述代码比较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。在多运行几次该代码后，出现如下死循环情形：

![format_png][]

其中有几次还会出现数组越界的情况：

![format_png 1][]

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

![format_png 2][]

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在**transfer函数**中，jdk1.7中HashMap的transfer函数如下：

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

总结下该函数的主要作用：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。下面进行详细分析。

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### **1.1 扩容造成死循环分析过程** ###

前提条件：

这里假设

\#1.hash算法为简单的用key mod链表的大小。

\#2.最开始hash表size=2，key=3,7,5，则都在table\[1\]中。

\#3.然后进行resize，使size变成4。

未resize前的数据结构如下：

![format_png 3][]

如果在单线程环境下，最后的结果如下：

![format_png 4][]

这里的转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下，假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第11行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。

![format_png 5][]

此时线程A中运行结果如下：

![format_png 6][]

线程A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：

![format_png 7][]

**这里需要特别注意的点：****由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。**

此时切换到线程A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable\[3\]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
    e=next ----> e=7

此时结果如下：

![format_png 8][]

继续循环：

e=7
    next=e.next ----> next=3【从主存中取值】
    e.next=newTable[3] ----> e.next=3【从主存中取值】
    newTable[3]=e ----> newTable[3]=7
    e=next ----> e=3

结果如下：

![format_png 9][]

再次进行循环：

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

注意此次循环：e.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

结果如下：

**![format_png 10][]**

在后续操作中只要涉及轮询hashmap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。

### **1.2 扩容造成数据丢失分析过程** ###

遵照上述分析过程，初始时：

![format_png 11][]

线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

![format_png 5][]

此时线程A的运行结果如下：

![format_png 12][]

此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

![format_png 13][]

同样注意由于线程B执行完成，newTable和table都为最新值：**5.next=null**。

此时切换到线程A，在线程A挂起时：**e=7，next=5，newTable\[3\]=null。**

执行newtable\[i\]=e，就将**7放在了table\[3\]**的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5
    next=e.next ----> next=null，从主存中取值
    e.next=newTable[1] ----> e.next=5，从主存中取值
    newTable[1]=e ----> newTable[1]=5
    e=next ----> e=null

将5放置在table\[1\]位置，此时e=null循环结束，**3元素丢失**，并形成**环形链表**。并在后续操作hashmap时造成死循环。

![format_png 14][]

### **2. jdk1.8中HashMap** ###

在jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全，这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

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

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数， 注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。如果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。假设一种情况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给**覆盖**，发生线程不安全。

这里只是简要分析下jdk1.8中HashMap出现的线程不安全问题的体现，后续将会对java的集合框架进行总结，到时再进行具体分析。

### 总结 ###

首先HashMap是**线程不安全**的，其主要体现：

\#1.在jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。

\#2.在jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。

**推****荐****阅****读 **

***1.*** [Spring Boot 的自动配置][Spring Boot]

***2. ***[HashMap 默认容量的选择][HashMap]

***3.*** [为什么我抛弃了 Ubuntu？][Ubuntu]

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***5.***  [团队开发中 Git 最佳实践][Git]

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[Spring Boot]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103572969
[HashMap]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103572975
[Ubuntu]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/102714215
[Hash]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103535328
[Git]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/102481709
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