【Map】——HashMap死循环

前言

在《Map——HashMap》中我们详细介绍了HashMap的使用，HashMap是一个数组链表，当一个key/Value对被加入时，首先会通过Hash算法定位出这个键值对要被放入的桶，然后就把它插到相应桶中。如果这个桶中已经有元素了，那么发生了碰撞，这样会在这个桶中形成一个链表。一般来说，当有数据要插入HashMap时，都会检查容量有没有超过设定的thredhold，如果超过，需要增大HashMap的尺寸，但是这样一来，就需要对整个HashMap里的节点进行重哈希操作。

从前我们的Java代码因为一些原因使用了HashMap这个东西，但是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，我们的程序性能有问题，所以需要变成多线程的，于是，变成多线程后到了线上，发现程序经常占了100%的CPU，查看堆栈，你会发现程序都Hang在了HashMap.get()这个方法上了，重启程序后问题消失。但是过段时间又会来。而且，这个问题在测试环境里可能很难重现。

我们简单的看一下我们自己的代码，我们就知道HashMap被多个线程操作。而Java的文档说HashMap是非线程安全的，应该用ConcurrentHashMap。

我们在此阐述一下HashMap线程不安全的典型表现 —— 死循环

Hash表数据结构

简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap通常会用一个指针数组（假设为table[]）来做分散所有的key，当一个key被加入时，会通过Hash算法通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个<key, value>插到table[i]中，如果有两个不同的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table[i]上形成一个链表。

我们知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10个keys的话，那么碰撞非常频繁，于是一个O(1)的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了O(n)，这是Hash表的缺陷（可参看《Hash Collision DoS 问题》）。

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，但是这样一来，整个Hash表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。

HashMap的rehash源代码

Put一个Key,Value对到Hash表中：

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;
}

检查容量是否超标

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resizeif (size++ >= threshold)resize(2 * table.length);
}

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。

void resize(int newCapacity)
{Entry[] oldTable = table;int oldCapacity = oldTable.length;......//创建一个新的Hash TableEntry[] 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);
}

迁移的源代码

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;do {Entry<K,V> next = e.next;int i = indexFor(e.hash, newCapacity);e.next = newTable[i];newTable[i] = e;e = next;} while (e != null);}}
}

正常的ReHash的过程

画了个图做了个演示。

我假设了我们的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

并发下的Rehash

1）假设我们有两个线程。

我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节：
do {Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了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。

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）一切安好。

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。

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。

原文：https://coolshell.cn/articles/9606.html