HashMap 为什么线程不安全？

2020-04-29 16:07:59来源：博客园阅读 ()

HashMap 为什么线程不安全？

作者：developer
http://cnblogs.com/developer_chan/p/10450908.html

我们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

1、jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

public?class?HashMapTest?{

????public?static?void?main(String[] args)?{
????????HashMapThread thread0 =?new?HashMapThread();
????????HashMapThread thread1 =?new?HashMapThread();
????????HashMapThread thread2 =?new?HashMapThread();
????????HashMapThread thread3 =?new?HashMapThread();
????????HashMapThread thread4 =?new?HashMapThread();
????????thread0.start();
????????thread1.start();
????????thread2.start();
????????thread3.start();
????????thread4.start();
????}
}

class?HashMapThread?extends?Thread?{
????private?static?AtomicInteger ai =?new?AtomicInteger();
????private?static?Map<Integer, Integer> map =?new?HashMap<>();

????@Override
????public?void?run()?{
????????while?(ai.get() <?1000000) {
????????????map.put(ai.get(), ai.get());
????????????ai.incrementAndGet();
????????}
????}
}

上述代码比较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。

在多运行几次该代码后，出现如下死循环情形：

其中有几次还会出现数组越界的情况：

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在transfer函数中，jdk1.7中HashMap的transfer函数如下：

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;
????????????}
????????}
}

总结下该函数的主要作用：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。

下面进行详细分析。

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件，这里假设：

hash算法为简单的用key mod链表的大小。
最开始hash表size=2，key=3,7,5，则都在table[1]中。
然后进行resize，使size变成4。

未resize前的数据结构如下：

如果在单线程环境下，最后的结果如下：

这里的转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下，假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第11行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。

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此时线程A中运行结果如下：

线程A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：

这里需要特别注意的点：由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此时切换到线程A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=7

此时结果如下：

继续循环：

e=7
next=e.next?---->?next=3【从主存中取值】
e.next=newTable[3] ---->?e.next=3【从主存中取值】
newTable[3]=e?----> newTable[3]=7
e=next?---->?e=3

结果如下：

再次进行循环：

e=3
next=e.next?---->?next=null
e.next=newTable[3] ---->?e.next=7?即：3.next=7
newTable[3]=e?----> newTable[3]=3
e=next?---->?e=null

注意此次循环：e.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

结果如下：

在后续操作中只要涉及轮询HashMap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。面试必问的：几种线程安全的Map解析，推荐大家看下。

1.2 扩容造成数据丢失分析过程

遵照上述分析过程，初始时：

线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

此时线程A的运行结果如下：

此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

同样注意由于线程B执行完成，newTable和table都为最新值：5.next=null。

此时切换到线程A，在线程A挂起时：e=7，next=5，newTable[3]=null。

执行newtable[i]=e，就将7放在了table[3]的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5
next=e.next?---->?next=null，从主存中取值
e.next=newTable[1] ---->?e.next=5，从主存中取值
newTable[1]=e?----> newTable[1]=5
e=next?---->?e=null

将5放置在table[1]位置，此时e=null循环结束，3元素丢失，并形成环形链表。并在后续操作HashMap时造成死循环。

2、jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全。

这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

final V?putVal(int?hash, K key, V?value, boolean onlyIfAbsent,
???????????????????boolean evict)?{
????????Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p;?int?n, i;
????????if?((tab = table) ==?null?|| (n = tab.length) ==?0)
????????????n = (tab = resize()).length;
????????if?((p = tab[i = (n -?1) & hash]) ==?null)?// 如果没有hash碰撞则直接插入元素
????????????tab[i] = newNode(hash, key,?value,?null);
????????else?{
????????????Node<K,V> e; K k;
????????????if?(p.hash == hash &&
????????????????((k = p.key) == key || (key !=?null?&& key.equals(k))))
????????????????e = p;
????????????else?if?(p instanceof TreeNode)
????????????????e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key,?value);
????????????else?{
????????????????for?(int?binCount =?0; ; ++binCount) {
????????????????????if?((e = p.next) ==?null) {
????????????????????????p.next = newNode(hash, key,?value,?null);
????????????????????????if?(binCount >= TREEIFY_THRESHOLD -?1)?// -1 for 1st
????????????????????????????treeifyBin(tab, hash);
????????????????????????break;
????????????????????}
????????????????????if?(e.hash == hash &&
????????????????????????((k = e.key) == key || (key !=?null?&& key.equals(k))))
????????????????????????break;
????????????????????p = e;
????????????????}
????????????}
????????????if?(e !=?null) {?// existing mapping for key
????????????????V oldValue = e.value;
????????????????if?(!onlyIfAbsent || oldValue ==?null)
????????????????????e.value?=?value;
????????????????afterNodeAccess(e);
????????????????return?oldValue;
????????????}
????????}
????????++modCount;
????????if?(++size > threshold)
????????????resize();
????????afterNodeInsertion(evict);
????????return?null;
}

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数，注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。

如果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。

假设一种情况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给覆盖，发生线程不安全。