4、关于HashMap在多线程下的不安全分析
原文网址:http://coolshell.cn/articles/9606.html/comment-page-1#comments
1、问题的症状
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ConcurrentHashMap。
但是在这里我们可以来研究一下原因。
2、Hash表数据结构
我需要简单地说一下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》）。
/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry[] table;
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thredshold，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。相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。
3、HashMap的源代码
下面，我们来看一下Java的HashMap的源代码。
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
<strong> addEntry(hash, key, value, i);</strong>
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resize
if (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 Table
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上
<strong> transfer(newTable);</strong>
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
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 {
<strong> Entry<K,V> next = e.next;</strong>
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
<strong> e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;</strong>
} while (e != null);
}
}
}
好了，这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。
5、并发下的Rehash
1）假设我们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。
我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节：
do {
<strong> Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了</strong>
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。