多线程下的HashMap死循环问题详解

2021年9月17日 40点热度 0条评论 来源: 你走吧起风了__

小伙伴们大家好呀,今天看技术博文的时候看到一个很有意思的问题,就如标题所示------》在多线程的情况下关于HashMap的死循环问题,还记我在刚学JavaSE时候,看到过这个问题,当时的知识储备不够,没有深究,今天来详细说一说,希望能帮到你们,一起进步。

正文开始:

Java的HashMap是非线程安全的。多线程下应该用ConcurrentHashMap。

多线程下[HashMap]的问题(这里主要说死循环问题):

1、多线程put操作后,get操作导致死循环。
2、多线程put非NULL元素后,get操作得到NULL值。
3、多线程put操作,导致元素丢失。

一.Jdk7的版本下为何出现死循环?

在多线程下使用非线程安全的HashMap,单线程根本不会出现)

HashMap是采用链表解决Hash冲突,因为是链表结构,那么就很容易形成闭合的链路,这样在循环的时候只要有线程对这个HashMap进行get操作就会产生死循环。

在单线程情况下,只有一个线程对HashMap的数据结构进行操作,是不可能产生闭合的回路的。

那就只有在多线程并发的情况下才会出现这种情况,那就是在put操作的时候。
如果 size>initialCapacity*loadFactor, 那么这时候HashMap就会进行rehash操作,随之HashMap的结构就会发生翻天覆地的变化。很有可能就是在两个线程在这个时候同时触发了rehash操作,产生了闭合的回路。

2、如何产生的:

存储数据put():

	public V put(K key, V value)
	{ 
		......
		//算Hash值
		int hash = hash(key.hashCode());
		int i = indexFor(hash, table.length);
		//如果该key已被插入,则替换掉旧的value (链接操作)
		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++;
		//该key不存在,需要增加一个结点
		addEntry(hash, key, value, i);
		return null;
	}

当我们往HashMap中put元素的时候,先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置(即下标),然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。
如果这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的元素放在链头,而先前加入的放在链尾。

检查容量是否超标addEntry:

	void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
	{ 
		Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
		table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
		//查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold,如果超过,需要resize
		if (size++ >= threshold)
			resize(2 * table.length);
	}

如果现在size已经超过了threshold,那么就要进行resize操作,新建一个更大尺寸的hash表,然后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

调整Hash表大小resize:

	void resize(int newCapacity)
	{ 
		Entry[] oldTable = table;
		int oldCapacity = oldTable.length;
		......
		//创建一个新的Hash Table
		Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
		//将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上
		transfer(newTable);
		table = newTable;
		threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
	}


当table[]数组容量较小,容易产生哈希碰撞,所以,Hash表的尺寸和容量非常的重要。

一般来说,Hash表这个容器当有数据要插入时,都会检查容量有没有超过设定的thredhold,如果超过,需要增大Hash表的尺寸,这个过程称为resize。
多个线程同时往HashMap添加新元素时,多次resize会有一定概率出现死循环,因为每次resize需要把旧的数据映射到新的哈希表,这一部分代码在HashMap#transfer() 方法,如下:

	void transfer(Entry[] newTable)
	{ 
		Entry[] src = table;
		int newCapacity = newTable.length;
		//下面这段代码的意思是:
		// 从OldTable里摘一个元素出来,然后放到NewTable中
		for (int j = 0; j < src.length; j++) { 
			Entry<K,V> e = src[j];
			if (e != null) { 
				src[j] = null;
				//以下代码是造成死循环的罪魁祸首。
				do { 
					Entry<K,V> next = e.next;//取出第一个元素
					int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
					e.next = newTable[i];
					newTable[i] = e;
					e = next;
				} while (e != null);
			}
		}
	}

3、图解HashMap死循环:

正常的ReHash的过程(单线程):
假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小(也就是数组的长度)。
最上面的是old hash 表,其中的Hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5,在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。

接下来的三个步骤是Hash表 resize成4,然后所有的<key,value> 重新rehash的过程。

(备注:此图以及下面配图皆取自“左耳听风”相关博客)

并发下的Rehash(多线程)

假设我们有两个线程。

	do { 
		Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了,执行其他操作
		int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
		e.next = newTable[i];
		newTable[i] = e;
		e = next;
	} while (e != null);

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子:


注意,因为Thread1的 e 指向了key(3),而next指向了key(7),其在线程二rehash后,指向了线程二重组后的链表。我们可以看到链表的顺序被反转后。在这里线程一变成了操作经过线程二操作后的HashMap。

2)线程一被调度回来执行。
先是执行 newTalbe[i] = e;
然后是e = next,导致了e指向了key(7),
而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)。


3)一切ok。

线程一接着工作。把key(7)摘下来,放到newTable[i]的第一个,然后把e和next往下移。这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,而先前加入的放在链尾。

4)环形链接出现。

e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7)。
注意:此时的key(7).next 已经指向了key(3), 环形链表就这样出现了。


于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop

JDK8后—>扩容解决死循环

JDK8 将 HashMap 的结构作了下修改,将原来的链表部分改为数据少时仍然链表,当超过一定数量后变换为红黑树,这里主要讨论在链表时跟之前有什么不同。

1,假如oldtab的大小为2,里面有7,3两个节点,因为2 > 2 * 0.75,现在要扩容到大小为4的newtable,然后把节点从oldtable移到newtable,假设这里有两个线程,每个线程里面都有e,next分别记录当前节点和下一个节点,现在两个线程一起扩容会发生一下情况


通过上面的分析,不难发现循环的产生是因为新链表的顺序跟旧的链表是完全相反的,所以只要保证建新链时还是按照原来的顺序的话就不会产生循环。

JDK8是用 head 和 tail 来保证链表的顺序和之前一样,这样就不会产生循环引用。

小结:

jdk1.8之前和之后不同之处就是jdk1.8后是直接把节点放到newtable[j]尾节点,而jdk1.8前是直接放到头节点。虽然解决了死循环,但hashMap在多线程使用下还是会有很多问题,在多线程下最好还是使用ConcurrentHashMap比较好。

    原文作者:你走吧起风了__
    原文地址: https://blog.csdn.net/m0_46405589/article/details/109206432
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