01、多线程下扩容会死循环
众所周知,HashMap 是通过拉链法来解决哈希冲突的,也就是当哈希冲突时,会将相同哈希值的键值对通过链表的形式存放起来。
JDK 7 时,采用的是头部插入的方式来存放链表的,也就是下一个冲突的键值对会放在上一个键值对的前面(同一位置上的新元素被放在链表的头部)。扩容的时候就有可能导致出现环形链表,造成死循环。
resize 方法的源码:
// newCapacity为新的容量 void resize(int newCapacity) { // 小数组,临时过度下 Entry[] oldTable = table; // 扩容前的容量 int oldCapacity = oldTable.length; // MAXIMUM_CAPACITY 为最大容量,2 的 30 次方 = 1<<30 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { // 容量调整为 Integer 的最大值 0x7fffffff(十六进制)=2 的 31 次方-1 threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } // 初始化一个新的数组(大容量) Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; // 把小数组的元素转移到大数组中 transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity)); // 引用新的大数组 table = newTable; // 重新计算阈值 threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); }
transfer 方法用来转移,将小数组的元素拷贝到新的数组中。
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { // 新的容量 int newCapacity = newTable.length; // 遍历小数组 for (Entry<K,V> e : table) { while(null != e) { // 拉链法,相同 key 上的不同值 Entry<K,V> next = e.next; // 是否需要重新计算 hash if (rehash) { e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key); } // 根据大数组的容量,和键的 hash 计算元素在数组中的下标 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); // 同一位置上的新元素被放在链表的头部 e.next = newTable[i]; // 放在新的数组上 newTable[i] = e; // 链表上的下一个元素 e = next; } } }
注意 e.next = newTable[i] 和 newTable[i] = e 这两行代码,就会将同一位置上的新元素被放在链表的头部。
扩容前的样子假如是下面这样子。
那么正常扩容后就是下面这样子。
假设现在有两个线程同时进行扩容,线程 A 在执行到 newTable[i] = e; 被挂起,此时线程 A 中:e=3、next=7、e.next=null
线程 B 开始执行,并且完成了数据转移。
此时,7 的 next 为 3,3 的 next 为 null。
随后线程A获得CPU时间片继续执行 newTable[i] = e,将3放入新数组对应的位置,执行完此轮循环后线程A的情况如下:
执行下一轮循环,此时 e=7,原本线程 A 中 7 的 next 为 5,但由于 table 是线程 A 和线程 B 共享的,而线程 B 顺利执行完后,7 的 next 变成了 3,那么此时线程 A 中,7 的 next 也为 3 了。
采用头部插入的方式,变成了下面这样子:
好像也没什么问题,此时 next = 3,e = 3。
进行下一轮循环,但此时,由于线程 B 将 3 的 next 变为了 null,所以此轮循环应该是最后一轮了。
接下来当执行完 e.next=newTable[i] 即 3.next=7 后,3 和 7 之间就相互链接了,执行完 newTable[i]=e 后,3 被头插法重新插入到链表中,执行结果如下图所示:
套娃开始,元素 5 也就成了弃婴,惨~~~
不过,JDK 8 时已经修复了这个问题,扩容时会保持链表原来的顺序,参照HashMap 扩容机制的这一篇。
02、多线程下 put 会导致元素丢失
正常情况下,当发生哈希冲突时,HashMap 是这样的:
但多线程同时执行 put 操作时,如果计算出来的索引位置是相同的,那会造成前一个 key 被后一个 key 覆盖,从而导致元素的丢失。
put 的源码:
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; // 步骤①:tab为空则创建 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // 步骤②:计算index,并对null做处理 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; // 步骤③:节点key存在,直接覆盖value if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; // 步骤④:判断该链为红黑树 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); // 步骤⑤:该链为链表 else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); //链表长度大于8转换为红黑树进行处理 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } // key已经存在直接覆盖value if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } // 步骤⑥、直接覆盖 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; // 步骤⑦:超过最大容量 就扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
问题发生在步骤 ② 这里:
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
两个线程都执行了 if 语句,假设线程 A 先执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null),那 table 是这样的:
接着,线程 B 执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null),那 table 是这样的:
3 被干掉了。
03、put 和 get 并发时会导致 get 到 null
线程 A 执行put时,因为元素个数超出阈值而出现扩容,线程B 此时执行get,有可能导致这个问题。
注意来看 resize 源码:
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { // 超过最大值就不再扩充了,就只好随你碰撞去吧 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 没超过最大值,就扩充为原来的2倍 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } // 计算新的resize上限 if (newThr == 0) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } threshold = newThr; @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; }
线程 A 执行完 table = newTab 之后,线程 B 中的 table 此时也发生了变化,此时去 get 的时候当然会 get 到 null 了,因为元素还没有转移。
这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 58 篇,我们来聊了聊为什么 HashMap 是线程不安全的。
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