深入浅出HashMap扩容死循环问题

一.问题

众所周知，HashMap是线程不安全的，在并发使用HashMap时很容易出现一些问题，其中最典型的就是并发情况下扩容之后会发生死循环，导致CPU占用100%。同时，这也是一个高频面试题。因此，本文通过解读HashMap源码并结合实例，来具体分析HashMap扩容发生的死循环问题。

二.源码解读

下面这段代码是JDK 1.7中HashMap的resize方法，即扩容时调用的代码，作用是创建新的Entry数组newTable，然后调用transfer方法将原来的Entry数组中的节点都转移到newTable中，最后将HashMap的成员变量table指向newTable，所以扩容机制的核心代码在transfer方法中。

    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

下面这段代码是JDK1.7中HashMap的transfer方法，作用是遍历原来table中每个位置的链表，并对链表中的每个节点重新进行hash，在新的Entry数组newTable中找到归宿，并插入。

    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry e : table) {
            //获取链表的头节点e
            while(null != e) {
                //获取要转移的下一个节点next
                Entry next = e.next;
                if (rehash) {
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                //计算要转移的节点在新的Entry数组newTable中的位置
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                //使用头插法将要转移的节点插入到newTable原有的单链表中
                e.next = newTable[i];
                //将newTable的hash桶的指针指向要转移的节点
                newTable[i] = e;
               //转移下一个需要转移的节点e
                e = next;
            }
        }
    }

其中，transfer方法的核心代码分为以下四个步骤：
1.获取要转移的下一个节点next;
2.使用头插法将要转移的节点插入到newTable原有的单链表中;
3.将newTable的hash桶的指针指向要转移的节点;
4.转移下一个需要转移的节点e。

三.实例分析

1.单线程扩容

假设单线程场景下要对下图中的table进行扩容：

HashMap原来的Entry数组oldTable

扩容初始情况如下：

扩容初始情况

转移A节点之后的情况如下：

转移A节点之后

为了便于理解，简化上图如下：

转移A节点之后

转移B节点之后的情况如下：

转移B节点之后

转移C节点之后，oldTable中的节点就都转移到newTable中了，HashMap成功完成了扩容的过程：

转移C节点之后

观察扩容之前的oldTable中的单链表和扩容之后的newTable中的单链表，不难发现，oldTable中的单链表和newTable中的单链表的节点的顺序是相反的。由于扩容过程中使用头插法将oldTable中的单链表中的节点插入到newTable的单链表中，所以newTable中的单链表会倒置oldTable中的单链表。

2.多线程扩容

假设有两个线程同时对HashMap进行扩容，在某一时刻这两个线程都进行到如下状态：

某一时刻两个线程扩容进行到同一状态

之后线程1执行了transfer方法的核心代码中的第1步和第2步，时间片就用完了，执行后的情况如下：

线程1执行完的情况

这时轮到线程2开始执行，执行transfer方法的核心代码中的第1步之后，情况如下：

线程2执行第1步之后

线程2执行第2，3，4步之后，情况如下：

线程2执行第2，3，4步之后

线程2执行下一轮循环的第1，2，3，4步之后，线程2的扩容过程成功结束：

线程2执行下一轮循环的第1，2，3，4步之后

可以看到，线程2扩容之后的newTable中的单链表形成了一个环，后续执行get操作的时候，会触发死循环，引起CPU的100%问题。

四.总结

通过解读HashMap源码并结合实例可以发现，HashMap扩容导致死循环的主要原因在于扩容过程中使用头插法将oldTable中的单链表中的节点插入到newTable的单链表中，所以newTable中的单链表会倒置oldTable中的单链表。那么在多个线程同时扩容的情况下就可能导致扩容后的HashMap中存在一个有环的单链表，从而导致后续执行get操作的时候，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。

---

参考：
HashMap扩容死循环问题
老生常谈，HashMap的死循环