HashMap 线程安全问题

矫情吗；* 2022-03-01 06:34 262阅读 0赞

### 前言 ###

我们紧接着上节[ArrayList 线程安全问题][ArrayList]讲下`HashMap的线程安全问题`.

之前看书,书中经常会提及.`HashTable是线程安全的,HashMap是线程非安全的.在多线程的情况下, HashMap会出现死循环的情况.`此外,还会推荐使用新的`JUC类 ConcurrentHashMap`.

今天,我们就将这些幺蛾子一网打尽. 本章, 将主要描述"为什么`HashMap`是非线程安全的? HashMap在多线程的情况下为什么会出现死循环?"

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### 正文 - 准备工作 ###

在讲解`HashMap类的非线程安全问题`之前, 我们需要对于`HashMap`的数据结构要有所了解.

通过`Eclipse的outline视图`,我们瞄一瞄HashMap的源码内的对象.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
通过观察,我们可以发现.`HashMap`主要是维护了一个`Enrty类型的数组`来存储变量.  
即`transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;`,其中`transient`是用于表示不需要序列化的标示,我们不用管他.

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final K key;
            V value;
            Entry<K,V> next;
            int hash;
     }

我们在看下`Entry类`的源码.通过上述的`Entry`源码,我们可以发现它主要包括几个部分:`key/value/hash/next`.  
在`JDK1.7`中的HashMap结构大致如下:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
其中的每一块值,是一个Entry类型的链表.(在JDK1.8 之后,当`Entry链表`的长度多于一定的值的时候,会将其转换为红黑树. PS: 为了在O(log2N)的时间内获取到结点的值. 在JDK1.8内的红黑树也是使用链表进行实现的,不必过于在意.)

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### 单线程`resize`操作 ###

首先, 与`ArrayList类`一样, 我们先瞄一瞄HashMap的put方法.

public V put(K key, V value) {
            if (table == EMPTY_TABLE) {
            	// 如果table为空的table,我们需要对其进行初始化操作.
                inflateTable(threshold);
            }
            if (key == null)
            	// 如果key为null的话 我们对其进行特殊操作(其实是放在table[0])
                return putForNullKey(value);
            // 计算hash值
            int hash = hash(key);
            // 根据hash值获取其在table数组内的位置.
            int i = indexFor(hash, table.length);
            // 遍历循环链表(结构图类似上图)
            for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
                Object k;
                // 如果找到其值的话,将原来的值进行覆盖(满足Map数据类型的特性.)
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                    V oldValue = e.value;
                    e.value = value;
                    e.recordAccess(this);
                    return oldValue;
                }
            }
    		// 如果都没有找到相同都key的值, 那么这个值是一个新值.(直接进行插入操作.)
            modCount++;
            addEntry(hash, key, value, i);
            return null;
        }

跟随其后,我们深入`addEntry(hash, key, value, i);`方法一探究竟吧.

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
            if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            	// 如果其大小超过threshold 并且table[index]的位置不为空
            	// 扩充HashMap的数据结果为原来的两倍
                resize(2 * table.length);
                hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
                bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
            }
    
            createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
        }

PS: `mountCount`/`size`/`threshold`的联系与区别?

紧随其后,进入人们经常说的`resize()`方法.

void resize(int newCapacity) {
            Entry[] oldTable = table;
            int oldCapacity = oldTable.length;
            if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            	//capacity 容量
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
    		// 创建一个新的对象
            Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
            // 将旧的对象内的值赋值到新的对象中
            transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
            table = newTable;
            // 重新赋值新的临界点
            threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        }
        
        void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        	// 新table的长度
            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;
                }
            }
        }

这么一看,主要的`resize()方法`的转换操作都在`transfer()方法内`.我们详细的画图了解下这个循环.

1.  `for (Entry<K,V> e : table) {}`外层循环,循环遍历`旧table`的每一个值.这不难理解,因为要将`旧table`内的值拷贝进`新table`.
2.  链表拷贝操作.主要是四行代码.`e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next;`这个操作一下子比较难懂,我们画图了解一下.  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
    这个图还是有点抽象 我们再将细节进行细分.

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
1 `next = e.next`,目的是记录下原始的`e.next`的地址.图上为`Entry-1-1`.  
2 `e.next = newTable[i]`,也就是将`newTable[3]`替代了原来的`entry1-1`.目的是为了记录原来的`newTable[3]`的链表头.  
3 `newTable[i] = e`,也就死将`entry1-0`替换成新的链表头.  
4. `e = next;`,循环遍历指针.将`e = entry1-1`.开始处理`entry1-1`.  
将步骤细分后,我们可以得到如下:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
由上述的插入过程,我们可以看出.这是一个倒叙的链表插入过程.  
(比如 1-0 -> 1-1 ->1-2 插入后将变为 1-2 -> 1-1 -> 1-0)

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### 多线程操作 - 分析线程安全?线程非安全? ###

因为`倒叙链表插入`的情况,导致`HashMap`在`resize()`的情况下,导致链表出现环的出现.一旦出现了环那么在`while(null != p.next){}`的循环的时候.就会出现死循环导致线程阻塞.那么,多线程的时候,为什么会出现环状呢?让我们看下面的例子:

首先有2个线程,由上一节我们知道,在`resize()`的过程中,一共有如下四个步骤:

*  `Entry<K,V> next = e.next;`
 *  `e.next = newTable[i];`
 *  `newTable[i] = e;`
 *  `e = next;`

我们有两个线程,线程A与线程B.线程A在执行`Entry<K,V> next = e.next;`之后,也就是第一个步骤之后,线程阻塞停止了.线程B之间进行了重排序的操作.此时的HashMap内部情况如下所示:

*  初始(A阻塞 B运行完毕)  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]
 *  A唤醒 e=key(3)  
    A的执行步骤如下:
    
     *  线程阻塞前记录 next = key(7)
     *  线程唤醒后执行 newTable\[3\]=null; key(3).next=null;
     *  newTable\[3\]=key(3);
     *  e=next; 即 e = key(7);  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]
 *  A唤醒 e=key(7)
    
     *  next = key(3)
     *  newTable\[3\]=key(3); key(7).next=key(3);
     *  newTable\[3\]=key(7);
     *  e=next; 即 e = key(3);  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]
 *  A唤醒 e=key(3)
    
     *  next = key(3).next; 即 next = null;
     *  newTable\[3\]=key(7); key(3).next=key(7);
     *  newTable\[3\]=key(3);
     *  e=next; 即 e = null; 循环结束.但是此时已经形成了环路.  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

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Tips

> 链表出现环?  
> 快,慢指针方法.[判断链表中是否有环 ----- 有关单链表中环的问题][-----]

> size、capacity、threshold与loadFactor?
> 
>  *  size为hashMap内的链表结点数目.即`Entry对象的个数`(包括链表内).
>  *  capacity为桶的数目.(即Enrty<k,v> \[\]table的长度) `static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16`
>  *  loadFactor 过载因子`static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;`
>  *  threshold 边界值.高于边界值,则HashMap进行`resize`操作.`The next size value at which to resize (capacity * load factor).` 定义`int threshold;`

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### Reference ###

\[1\]. [HashMap 在 JDK 1.8 后新增的红黑树结构][HashMap _ JDK 1.8]  
\[2\]. [（1）美团面试题：Hashmap的结构，1.7和1.8有哪些区别，史上最深入的分析][1_Hashmap_1.7_1.8]  
\[3\]. [Java7/8 中的 HashMap 和 ConcurrentHashMap 全解析][Java7_8 _ HashMap _ ConcurrentHashMap]  
\[4\]. [HashMap？面试？我是谁？我在哪][HashMap]  
\[5\]. [JDK7与JDK8中HashMap的实现][JDK7_JDK8_HashMap]  
\[6\]. [谈谈HashMap线程不安全的体现][HashMap 1]  
\[7\]. [ConcurrentHashMap源码分析(JDK1.7和JDK1.8)][ConcurrentHashMap_JDK1.7_JDK1.8]  
\[8\]. [HashMap中capacity、loadFactor、threshold、size等概念的解释][HashMap_capacity_loadFactor_threshold_size]

[ArrayList]: https://blog.csdn.net/u010416101/article/details/88720974
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YW54bWwuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220301/3640eaeaa0da4984bd026384f84679f4.png
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[-----]: https://www.cnblogs.com/dancingrain/p/3405197.html
[HashMap _ JDK 1.8]: https://blog.csdn.net/wushiwude/article/details/75331926
[1_Hashmap_1.7_1.8]: https://blog.csdn.net/qq_36520235/article/details/82417949
[Java7_8 _ HashMap _ ConcurrentHashMap]: https://javadoop.com/post/hashmap
[HashMap]: http://www.importnew.com/31278.html
[JDK7_JDK8_HashMap]: https://my.oschina.net/hosee/blog/618953
[HashMap 1]: https://my.oschina.net/hosee/blog/673521
[ConcurrentHashMap_JDK1.7_JDK1.8]: https://my.oschina.net/wenbo123/blog/1840330
[HashMap_capacity_loadFactor_threshold_size]: https://blog.csdn.net/fan2012huan/article/details/51087722#commentsedit