Java并发编程 - HashMap 死循环

简介: Java并发编程 - HashMap 死循环

问题

最近的几次面试中,我都问了是否了解HashMap在并发使用时可能发生死循环,导致cpu100%,结果让我很意外,都表示不知道有这样的问题,让我意外的是面试者的工作年限都不短。

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

publicVput(Kkey, Vvalue) {
if (key==null)
returnputForNullKey(value);
inthash=hash(key);
inti=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) {
Objectk;
if (e.hash==hash&& ((k=e.key) ==key||key.equals(k))) {
VoldValue=e.value;
e.value=value;
e.recordAccess(this);
returnoldValue;
        }
    }
modCount++;
// key不存在,则插入新的元素addEntry(hash, key, value, i);
returnnull;
}

2、检查容量是否达到阈值threshold

voidaddEntry(inthash, Kkey, Vvalue, intbucketIndex) {
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

voidresize(intnewCapacity) {
Entry[] oldTable=table;
intoldCapacity=oldTable.length;
    ...
Entry[] newTable=newEntry[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。

voidtransfer(Entry[] newTable, booleanrehash) {
intnewCapacity=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);
            }
inti=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。

voidtransfer(Entry[] newTable, booleanrehash) {
intnewCapacity=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);
            }
inti=indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next=newTable[i];
newTable[i] =e;
e=next;
        }
    }
}

以上是节点移动的相关逻辑。

image.png

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。

image.png

假设 线程2 在执行到Entry 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

image.png

第二步,移动节点b

image.png

注意,这里的顺序是反过来的,继续移动节点c

image.png

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:

image.png

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;
inti=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

image.png

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

image.png

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 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:

image.png

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。


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