Java8 HashMap 扩容机制与线程安全分析

一时失言乱红尘 2022-04-04 14:46 241阅读 0赞

如果大家有仔细阅读过 `HashMap` 的源码就会发现 `HashMap` 的哈希表初始化并不是在其构造函数中进行的，而是 `resize()` 方法。

这篇文章不对 `HashMap` 中的树进行介绍。

### 一、HashMap 四个构造函数 ###

这里把 `HashMap` 的四个构造函数全贴出来，主要是给大家一个参照。

PS：并不是所有的构造函数都初始化了 `threshold`，但是所有的构造函数都初始化了加载因子，另外初始容量大小也都没有初始化。

// 构造函数 1 
        public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 
            if (initialCapacity < 0)
                throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                                   initialCapacity);
            if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
                throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                                   loadFactor);
            this.loadFactor = loadFactor;
            this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
        }
        
        // 构造函数 2
        public HashMap(int initialCapacity) { 
            this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }
        
        // 构造函数 3
        public HashMap() { 
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
        }
        // 构造函数 4
        public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { 
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
            putMapEntries(m, false);
        }

### 二、put 方法 ###

我们都知道 `HashMap` 的底层是一个基于 `Node<K,V>[] table` 的数组，看完了上面的构造函数，我们发现数组并不是在构造函数中完成的，那是在哪里初始化的呢？带着这个疑问我们来看一下 `HashMap` 中的 `put` 方法。

public V put(K key, V value) { 
            return putVal(hash(key), key, value, false, true);
        }
    
        /** * Implements Map.put and related methods * * @param hash hash for key * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent 为 true 时不改变已经存在的值 * @param 为 false 时表示哈希表正在创建 * @return previous value, or null if none */
        final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                       boolean evict) { 
            /** * tab：哈希表数组 * p：桶位置上的头节点 * n：哈希表数组大小 * i：下标（槽位置） */
            Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
            // 当哈希表数组为 null 或者长度为 0 时，初始化哈希表数组
            if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                n = (tab = resize()).length;
            // 头节点为空直接插入（无哈希碰撞）
            if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            // 哈希碰撞
            else { 
                Node<K,V> e; K k;
                // 与头节点发生哈希冲突，进行记录
                if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    e = p;
                // 如果是树节点，走树节点插入流程
                else if (p instanceof TreeNode)
                    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                // 链表处理流程
                else { 
                    for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 
                        // 在链表尾部插入新节点，注意 jdk1.8 中在链表尾部插入新节点
                        if ((e = p.next) == null) { 
                            p.next = newNode(hash, key, value, null);
                            // 如果当前链表中的元素大于树化的阈值，进行链表转树的操作
                            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                                treeifyBin(tab, hash);
                            break;
                        }
                        // 如果 key（非头节点）已经存在，直接结束循环
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                            break;
                        // 重置 p 用于遍历
                        p = e;
                    }
                }
                // 如果 key 已经存在则更新 value 值
                if (e != null) {  // existing mapping for key
                    V oldValue = e.value;
                    // 更新当前 key 值
                    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                        e.value = value;
                    afterNodeAccess(e);
                    return oldValue;
                }
            }
            ++modCount;
            // 如果键值对个数大于阈值时（capacity * load factor），进行扩容操作
            if (++size > threshold)
                resize();
            afterNodeInsertion(evict);
            return null;
        }

主要流程总结：

1.  哈希表是否初始化判断
2.  是否发生哈希碰撞，（无）头节点判断：如果头节点不存在直接插入当前键值对
3.  key 是否存在条件判断：头节点冲突进行记录、树形态与链表形态分别走对应的流程插入键值对
4.  链表处理，如果插入的 key 在链表中不存在，则在链表尾部插入键值对（后判断是否需要转树），如果发生冲突，则记录当前冲突节点
5.  key 存在，新的 value 覆盖旧的 value，并返回旧 value
6.  是否需要扩容

### 三、扩容机制，resize 方法 ###

PS：`resize()` 方法并不只是用于扩容，还用于初始化哈希表。

final Node<K,V>[] resize() { 
            // 用于记录老的哈希表
            Node<K,V>[] oldTab = table;
            int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
            int oldThr = threshold;
            int newCap, newThr = 0;
            // 哈希表已存在
            if (oldCap > 0) { 
                // 如果哈希表容量已达最大值，不进行扩容，并把阈值置为 0x7fffffff
                if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                    return oldTab;
                }
                // 新容量为原来数组大小的两倍
                else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                         oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                    // 把新的阈值也扩大为两倍
                    newThr = oldThr << 1; // double threshold
            }
            // 初始化哈希表数组，对应初始化 threshold 的构造函数
            else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
                newCap = oldThr;
            // 初始化哈希表数组，对应没有初始化 threshold 的构造函数
            else {                // zero initial threshold signifies using defaults
                newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
                newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
            }
            // 阈值为 0 处理（哈希表还没有初始化但 threshold 已经被初始化）
            if (newThr == 0) { 
                float ft = (float)newCap * loadFactor;
                newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                          (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
            }
            // 重置（初始化）阈值与哈希表
            threshold = newThr;
            @SuppressWarnings({ "rawtypes","unchecked"})
                Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
            
            /*------------- 下面是 rehash 过程 ---------------*/
            
            if (oldTab != null) { 
                // 遍历老哈希表，将当前桶位置的键值对移动到新的哈希表中
                for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 
                    // 记录当前桶位置的头节点
                    Node<K,V> e;
                    // 头节点判是否为 null
                    if ((e = oldTab[j]) != null) { 
                        // 置 null（链表或树），让 GC 回收
                        oldTab[j] = null;
                        // 如果当前桶位置上只有一个元素，直接 rehash 到新的哈希表中
                        if (e.next == null)
                            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                        // 处理树节点
                        else if (e instanceof TreeNode)
                            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                        // 处理链表节点，下面这个过程的实现很巧妙，我把它单独拿出来分析
                        else {  // preserve order
                            Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                            Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                            Node<K,V> next;
                            do { 
                                next = e.next;
                                if ((e.hash & oldCap) == 0) { 
                                    if (loTail == null)
                                        loHead = e;
                                    else
                                        loTail.next = e;
                                    loTail = e;
                                }
                                else { 
                                    if (hiTail == null)
                                        hiHead = e;
                                    else
                                        hiTail.next = e;
                                    hiTail = e;
                                }
                            } while ((e = next) != null);
                            if (loTail != null) { 
                                loTail.next = null;
                                newTab[j] = loHead;
                            }
                            if (hiTail != null) { 
                                hiTail.next = null;
                                newTab[j + oldCap] = hiHead;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            return newTab;
        }

链表 rehash 过程：

{ 
        else {  // preserve order
            /** * rehash 时分高低位处理 */
            Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
            Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
            Node<K,V> next;
            // 遍历链表
            do { 
                next = e.next;
                /** * 判断旧哈希表桶位置上的所有元素位于低位还是高位 * e.hash & oldCap 计算的不是桶位置 * e.hash & (oldCap -1) 计算的才是桶位置 * * 关于高低位我们举个来帮助例子： * 条件：原哈希表大小为 16，扩容后的哈希表大小为 32 * * 1.假设 key1.hashCode = 15，位于旧的哈希表 15 桶位置上 * key1.hash & oldCap = 15 & 16 * 0000 1111 & 0001 0000 = 0000 0000 第 5 位为 0 * key1 在新的哈希表中的位置也是 15 桶位置上 * * 2.假设 key2.hashCode = 17，位于旧的哈希表 1 桶位置上 * key2.hash & oldCap = 17 & 16 * 0001 0001 & 0001 0000 = 0001 0000 第 5 位 为 1 * * 为什么要以第 5 位为标准呢？ * 因为老得容量为16，在计算哈希值时，高于第四位的就没有计算的必要了 */
                if ((e.hash & oldCap) == 0) { 
                    if (loTail == null)
                        loHead = e;
                    else
                        loTail.next = e;
                    loTail = e;
                }
                else { 
                    if (hiTail == null)
                        hiHead = e;
                    else
                        hiTail.next = e;
                    hiTail = e;
                }
            } while ((e = next) != null);
            // 上面举的例子看懂了，这里就很好理解了，低位（0）位置保持不变直接 rehash
            if (loTail != null) { 
                loTail.next = null;
                newTab[j] = loHead;
            }
            // 高位（1）位置需要加上老哈希表的容量
            if (hiTail != null) { 
                hiTail.next = null;
                newTab[j + oldCap] = hiHead;
            }
    }

主要流程总结：

1.  判断哈希表是否初始化（已经初始化、`threshold` 已经初始化、`threshold` 没有初始化）
2.  当 `threshold` 没有初始化时初始化 `threshold`
3.  遍历旧的哈希表，进行 rehash，如果桶位置上没有键值对则直接略过，如果只有一个节点，直接 rehash 到新的哈希表中
4.  树与链表形态判断，分别走对应的 rehash 流程
5.  链表通过高低位方式 rehash

### 四、并发安全 ###

jdk1.7 中的 `HashMap` 在扩容时新哈希表数组和旧哈希表数组之间存在相互引用关系（我并没有仔细看过，有兴趣的可以阅读一下），因此在并发情况下会出现死循环的问题。在 jdk1.8 中是否还存在同样的问题？下面我们通过一个例子进行验证一下。

public class HashMapConcurrentTest { 
        /** * NUMBER = 50，表示 50 个线程分别执行 put 方法 50 次 * 线程安全的情况下因该 map size 应该为 2500 */
        public static final int NUMBER = 50;
        public static void main(String[] args) { 
            Map<String, String> map = new HashMap<>();
            for (int i = 0; i < NUMBER; i++) { 
                new Thread(new HashMapTask(map)).start();
            }
            System.out.println("map size = " + map.size());
        }
    }
    
    class HashMapTask implements Runnable { 
    
        Map<String, String> map;
    
        public HashMapTask(Map<String, String> map) { 
            this.map = map;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < HashMapConcurrentTest.NUMBER; i++) { 
                map.put(i + "-" + Thread.currentThread().getName(), "test");
            }
        }
    }

其中一个执行结果截图：  
![在这里插入图片描述][20181218113731592.png]  
上面开了 50 个线程往 `HashMap` 中添加元素，每个线程执行 50 次 `put` 方法，在线程安全的情况下，`map` 中应该有 2500 个键值对，但是执行的结果大都是小与 2500 的（并不会产生死循环）。

jdk1.8 中的 `HashMap` 新老数组之间不存在了引用关系，因此不会出现死循环的情况，但是却会存在键值对丢失的现象。为什么会出现键值对丢失的现象呢？下面以链表为例来简单分析一下（个人理解，不正确的话还请大家指正）。

多线程情况下，可能会有多个线程进入 `resize` 方法，假设第一个线程进入了 `resize` 方法，在处理链表时会先记录一下，然后直接将对应的旧哈希表数组中的链表置 `null`，此时第二个线程进来了，因为上一个线程已经把链表置 `null` 了，线程 2 判定当前桶位置上没有键值对，如果线程 2 返回的哈希表数组覆盖了线程 1 的哈希表数组，就会丢失一部分因线程 1 置 `null` 的键值对。

...
           if (oldTab != null) { 
               for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 
                   Node<K,V> e;
                   if ((e = oldTab[j]) != null) { 
                       oldTab[j] = null;
                       ...
           }

jdk1.8 源码阅读：[https://github.com/zchen96/jdk1.8-source-code-read][https_github.com_zchen96_jdk1.8-source-code-read]

### 参考文章 ###

[HashMap在JDK1.8中并发操作，代码测试以及源码分析][HashMap_JDK1.8]

[20181218113731592.png]: /images/20220404/e372187e81f94635a6973a07d6b8957c.png
[https_github.com_zchen96_jdk1.8-source-code-read]: https://github.com/zchen96/jdk1.8-source-code-read
[HashMap_JDK1.8]: https://www.cnblogs.com/wenbochang/p/9425541.html