HashMap的死循环

墨蓝 2024-03-22 17:55 49阅读 0赞

**问题**

由于HashMap并非是线程安全的，所以在高并发的情况下必然会出现问题，这是一个普遍的问题，虽然网上分析的文章很多，还是觉得有必须写一篇文章，让关注我公众号的同学能够意识到这个问题，并了解这个死循环是如何产生的。

如果是在单线程下使用HashMap，自然是没有问题的，如果后期由于代码优化，这段逻辑引入了多线程 并发执行，在一个未知的时间点，会发现CPU占用100%，居高不下，通过查看堆栈，你会惊讶的发现线程都Hang在hashMap的get()方法上，服务重启之后，问题消失，过段时间可能又复现了。

这是为什么？

**原因分析**

在了解来龙去脉之前，我们先看看HashMap的数据结构。

在内部，HashMap使用一个Entry数组保存key、value数据，当一对key、value被加入时，会通过一个

hash算法得到数组的下标index，算法很简单，根据key的hash值，对数组的大小取模 hash & (length-

1)，并把结果插入数组该位置，如果该位置上已经有元素了，就说明存在hash冲突，这样会在index位

置生成链表。

如果存在hash冲突，最惨的情况，就是所有元素都定位到同一个位置，形成一个长长的链表，这样get

一个值时，最坏情况需要遍历所有节点，性能变成了O(n)，所以元素的hash值算法和HashMap的初始

化大小很重要。

当插入一个新的节点时，如果不存在相同的key，则会判断当前内部元素是否已经达到阈值（默认是数组

大小的0.75），如果已经达到阈值，会对数组进行扩容，也会对链表中的元素进行rehash。

**实现**

HashMap的put方法实现：

1、判断key是否已经存在

public V put(K key, V value) \{

if (key == null)

return putForNullKey(value);

int hash = hash(key);

int i = indexFor(hash, table.length);

// 如果key已经存在，则替换value，并返回旧值

for (Entry<K,V> e = table\[i\]; e != null; e = e.next) \{

Object k;

if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) \{

V oldValue = e.value;

e.value = value;

e.recordAccess(this);

return oldValue;

\}modCount\++;

// key不存在，则插入新的元素

addEntry(hash, key, value, i);

return null;

2、检查容量是否达到阈值threshold

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) \{

if ((size >= threshold) && (null != table\[bucketIndex\])) \{

resize(2 \* table.length);

hash = (null != key) ? hash(key) : 0;

bucketIndex = indexFor(hash, table.length);

createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

如果元素个数已经达到阈值，则扩容，并把原来的元素移动过去。

3、扩容实现

void resize(int newCapacity) \{

Entry\[\] oldTable = table;

int oldCapacity = oldTable.length;

...

Entry\[\] newTable = new Entry\[newCapacity\];

...

transfer(newTable, rehash);

table = newTable;

threshold = (int)Math.min(newCapacity \* loadFactor, MAXIMUM\_CAPACITY \+ 1);

这里会新建一个更大的数组，并通过transfer方法，移动元素。

void transfer(Entry\[\] newTable, boolean rehash) \{

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;

\}移动的逻辑也很清晰，遍历原来table中每个位置的链表，并对每个元素进行重新hash，在新的

newTable找到归宿，并插入。

**案例分析**

假设HashMap初始化大小为4，插入个3节点，不巧的是，这3个节点都hash到同一个位置，如果按照默

认的负载因子的话，插入第3个节点就会扩容，为了验证效果，假设负载因子是1.

以上是节点移动的相关逻辑。

插入第4个节点时，发生rehash，假设现在有两个线程同时进行，线程1和线程2，两个线程都会新建新

的数组。

void transfer(Entry\[\] newTable, boolean rehash) \{

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;

\}假设 **线程****2** 在执行到 Entry<K,V> next = e.next; 之后，cpu时间片用完了，这时变量e指向节点a，

变量next指向节点b。

**线程****1**继续执行，很不巧，a、b、c节点rehash之后又是在同一个位置7，开始移动节点

第一步，移动节点a

第二步，移动节点b注意，这里的顺序是反过来的，继续移动节点c

这个时候 **线程****1** 的时间片用完，内部的table还没有设置成新的newTable， **线程****2** 开始执行，这时内部

的引用关系如下：这时，在 **线程****2** 中，变量e指向节点a，变量next指向节点b，开始执行循环体的剩余逻辑。

Entry<K,V> next = e.next;

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

e.next = newTable\[i\];

newTable\[i\] = e;

e = next;

执行之后的引用关系如下图执行后，变量e指向节点b，因为e不是null，则继续执行循环体，执行后的引用关系变量e又重新指回节点a，只能继续执行循环体，这里仔细分析下：

1、执行完 Entry<K,V> next = e.next; ，目前节点a没有next，所以变量next指向null；

2、 e.next = newTable\[i\]; 其中 newTable\[i\] 指向节点b，那就是把a的next指向了节点b，这样a和b

就相互引用了，形成了一个环；

3、 newTable\[i\] = e 把节点a放到了数组i位置；

4、 e = next; 把变量e赋值为null，因为第一步中变量next就是指向null；

所以最终的引用关系是这样的：节点a和b互相引用，形成了一个环，当在数组该位置get寻找对应的key时，就发生了死循环。

另外，如果线程2把newTable设置成到内部的table，节点c的数据就丢了，看来还有数据遗失的问题。

**总结**

所以在并发的情况，发生扩容时，可能会产生循环链表，在执行get的时候，会触发死循环，引起CPU的

100%问题，所以一定要避免在并发环境下使用HashMap。

曾经有人把这个问题报给了Sun，不过Sun不认为这是一个bug，因为在HashMap本来就不支持多线程

使用，要并发就用ConcurrentHashmap。

HashMap的死循环

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