你知道HashMap在高并发下可能会出现哪些问题吗

我们都知道,HashMap在并发环境下使用可能出现问题,但是具体表现,以及为什么出现并发问题,

在分析HashMap的并发问题前,先简单了解HashMap的put和get基本操作是如何实现的。

1.HashMap的put和get操作

大家知道HashMap内部实现是通过拉链法解决哈希冲突的,也就是通过链表的结构保存散列到同一数组位置的两个值,

put操作主要是判空,对key的hashcode执行一次HashMap自己的哈希函数,得到bucketindex位置,还有对重复key的覆盖操作

对照源码分析一下具体的put操作是如何完成的:

《你知道HashMap在高并发下可能会出现哪些问题吗》

涉及到的几个方法:

static int hash(int h) {	
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);	
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);	
}	
static int indexFor(int h, int length) {	
    return h & (length-1);	
}

数据put完成以后,就是如何get,我们看一下get函数中的操作:

《你知道HashMap在高并发下可能会出现哪些问题吗》

看一下链表的结点数据结构,保存了四个字段,包括key,value,key对应的hash值以及链表的下一个节点:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {	
   final K key;//Key-value结构的key	
   V value;//存储值	
   Entry<K,V> next;//指向下一个链表节点	
   final int hash;//哈希值	
 }

2.Rehash/再散列扩展内部数组长度

哈希表结构是结合了数组和链表的优点,在最好情况下,查找和插入都维持了一个较小的时间复杂度O(1),不过结合HashMap的实现,考虑下面的情况,如果内部Entry[] tablet的容量很小,或者直接极端化为table长度为1的场景,那么全部的数据元素都会产生碰撞,这时候的哈希表成为一条单链表,查找和添加的时间复杂度变为O(N),失去了哈希表的意义。所以哈希表的操作中,内部数组的大小非常重要,必须保持一个平衡的数字,使得哈希碰撞不会太频繁,同时占用空间不会过大。

这就需要在哈希表使用的过程中不断的对table容量进行调整,看一下put操作中的addEntry()方法:

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

这里面resize的过程,就是再散列调整table大小的过程,默认是当前table容量的两倍。

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];	
   //初始化一个大小为oldTable容量两倍的新数组newTable	
   transfer(newTable);	
   table = newTable;	
   threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);	
}

关键的一步操作是transfer(newTable),这个操作会把当前Entry[] table数组的全部元素转移到新的table中,

这个transfer的过程
在并发环境下会发生错误,导致数组链表中的链表形成循环链表,在后面的get操作时e = e.next操作无限循环,Infinite Loop出现。

下面具体分析HashMap的并发问题的表现以及如何出现的。

3.HashMap在多线程put后可能导致get无限循环 

HashMap在并发环境下多线程put后可能导致get死循环,具体表现为CPU使用率100%,

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这里引用酷壳陈皓的博文

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:

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而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

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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)

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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

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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。

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于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop

针对上面的分析模拟这个例子,

这里在run中执行了一个自增操作,i++非原子操作,使用AtomicInteger避免可能出现的问题:

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public static void main(String[] args){	
     MapThread t0 = new MapThread();	
     MapThread t1 = new MapThread();	
     // 省略 t2-t9	
     t0.start();	
     t1.start();	
     // 省略 t2-t9	
}

注意并发问题并不是一定会产生,可以多执行几次,

我试验了上面的代码很容易产生无限循环,控制台不能终止,有线程始终在执行中,

这是其中一个死循环的控制台截图,可以看到六个线程顺利完成了put工作后销毁,还有四个线程没有输出,卡在了put阶段,感兴趣的可以断点进去看一下:

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上面的代码,如果把注释打开,换用ConcurrentHashMap就不会出现类似的问题。

4.多线程put的时候可能导致元素丢失

HashMap另外一个并发可能出现的问题是,可能产生元素丢失的现象。

考虑在多线程下put操作时,执行addEntry(hash, key, value, i),如果有产生哈希碰撞,

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5.使用线程安全的哈希表容器

那么如何使用线程安全的哈希表结构呢,这里列出了几条建议:

使用Hashtable 类,Hashtable 是线程安全的;

参考	
疫苗:Java HashMap的死循环
https://www.cnblogs.com/binyue/p/3726403.html
    原文作者:田维常
    原文地址: https://blog.csdn.net/o9109003234/article/details/102656263
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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