HashMap在并发下可能出现的问题分析

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,
可能并不是所有人都了解,这篇文章记录一下HashMap在多线程环境下可能出现的问题以及如何避免。

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:

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public V put(K key, V value) {

        if (key == null)

            return putForNullKey(value);

        //得到key的hashcode,同时再做一次hash操作

        int hash = hash(key.hashCode());

        //对数组长度取余,决定下标位置

        int i = indexFor(hash, table.length);

        /**

          * 首先找到数组下标处的链表结点,

          * 判断key对一个的hash值是否已经存在,如果存在将其替换为新的value

          */

        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++;

        addEntry(hash, key, value, i);

        return null;

    }

涉及到的几个方法:

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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:

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public V get(Object key) {

        if (key == null)

            return getForNullKey();

        int hash = hash(key.hashCode());

        /**

          * 先定位到数组元素,再遍历该元素处的链表

          * 判断的条件是key的hash值相同,并且链表的存储的key值和传入的key值相同

          */

        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {

            Object k;

            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

                return e.value;

        }

        return null;

}

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:

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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:

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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。

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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%,
看一下transfer的过程:

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void transfer(Entry[] newTable) {

        Entry[] src = table;

        int newCapacity = newTable.length;

        for (int j = 0; j < src.length; j++) {

            Entry<K,V> e = src[j];

            if (e != null) {

                src[j] = null;

                do {

        //假设第一个线程执行到这里因为某种原因挂起

                    Entry<K,V> next = e.next;

                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

                    e.next = newTable[i];

                    newTable[i] = e;

                    e = next;

                while (e != null);

            }

        }

    }

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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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。

《HashMap在并发下可能出现的问题分析》

 

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)

《HashMap在并发下可能出现的问题分析》

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

《HashMap在并发下可能出现的问题分析》

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。

《HashMap在并发下可能出现的问题分析》

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 class MapThread extends Thread{

        /**

         * 类的静态变量是各个实例共享的,因此并发的执行此线程一直在操作这两个变量

         * 选择AtomicInteger避免可能的int++并发问题

         */

         private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);

         //初始化一个table长度为1的哈希表

         private static HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>(1);

         //如果使用ConcurrentHashMap,不会出现类似的问题

//       private static ConcurrentHashMap<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<Integer, Integer>(1);

             

         public void run()

          {

              while (ai.get() < 100000)

              {  //不断自增

                  map.put(ai.get(), ai.get());

                  ai.incrementAndGet();

               }

               

              System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程即将结束");

          }

    }

测试一下:

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public static void main(String[] args){

         MapThread t0 = new MapThread();

         MapThread t1 = new MapThread();

         MapThread t2 = new MapThread();

         MapThread t3 = new MapThread();

         MapThread t4 = new MapThread();

         MapThread t5 = new MapThread();

         MapThread t6 = new MapThread();

         MapThread t7 = new MapThread();

         MapThread t8 = new MapThread();

         MapThread t9 = new MapThread();

          

         t0.start();

         t1.start();

         t2.start();

         t3.start();

         t4.start();

         t5.start();

         t6.start();

         t7.start();

         t8.start();

         t9.start();

          

    }

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:

《HashMap在并发下可能出现的问题分析》

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,
导致两个线程得到同样的bucketIndex去存储,就可能会出现覆盖丢失的情况:

 

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void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

    //多个线程操作数组的同一个位置

    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

        if (size++ >= threshold)

            resize(2 * table.length);

    }

 

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;
使用并发包下的java.util.concurrent.ConcurrentHashMap,ConcurrentHashMap实现了更高级的线程安全;
或者使用synchronizedMap() 同步方法包装 HashMap object,得到线程安全的Map,并在此Map上进行操作。

    原文作者:ashui811
    原文地址: https://blog.csdn.net/jarniyy/article/details/106069957
    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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