【面试】HashMap 为什么线程不安全?

1. jdk1.7中的HashMap

注意:如果编译环境是JDK1.8,需要先更改为1.7

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化,这里先分析在jdk1.7中的问题,相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环,这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况:

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @Author nilzxq
 * @Date 2020-08-30 12:05
 */
public class HashMapTest {
    public static void main(String[] args) {
        HashMapThread thread0=new HashMapThread();
        HashMapThread thread1=new HashMapThread();
        HashMapThread thread2=new HashMapThread();
        HashMapThread thread3=new HashMapThread();
        HashMapThread thread4=new HashMapThread();
        thread0.start();
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}

class HashMapThread extends Thread{
    private static AtomicInteger ai=new AtomicInteger();
    private static Map<Integer,Integer> map=new HashMap<>();

    @Override
    public void run() {
        while(ai.get()<1000000){
            map.put(ai.get(),ai.get());
            ai.incrementAndGet();
        }
    }
}

上述代码比较简单,就是开多个线程不断进行put操作,并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。在多运行几次该代码后,出现如下死循环情形:

image-20200830123019691

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况,通过jps和jstack命名查看死循环情况,结果如下:

image-20200830123205374

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置,通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中,根源在transfer函数中,jdk1.7中HashMap的transfer函数如下:

    /**
     * Transfers all entries from current table to newTable.
     */
    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = 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);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

总结下该函数的主要作用:

在对table进行扩容到newTable后,需要将原来数据转移到newTable中,注意13-15行代码,这里可以看出在转移元素的过程中,使用的是头插法,也就是链表的顺序会翻转,这里也是形成死循环的关键点。下面进行详细分析。

传送门 头插法和尾插法

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件:

这里假设

#1.hash算法为简单的用key mod链表的大小。

#2.最开始hash表size=2,key=3,7,5,则都在table[1]中。

#3.然后进行resize,使size变成4。

未resize前的数据结构如下

image-20200830124644495

如果在单线程环境下,最后的结果如下:

image-20200830124702900

这里的转移过程,不再进行详述,只要理解transfer函数在做什么,其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下,假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第14行代码处挂起.

此时线程A中运行结果如下:

image-20200830124816638

线程A挂起后,此时线程B正常执行,并完成resize操作,结果如下:

image-20200830124831996

这里需要特别注意的点:由于线程B已经执行完毕,根据Java内存模型,现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值:7.next=3,3.next=null。

此时切换到线程A上,在线程A挂起时内存中值如下:e=3,next=7,newTable[3]=null,代码执行过程如下

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=7

此时结果如下:

image-20200830125001691

继续循环:

e=7
next=e.next ----> next=3从主存中取值
e.next=newTable[3] ----> e.next=3从主存中取值
newTable[3]=e ----> newTable[3]=7
e=next ----> e=3

结果如下:

image-20200830125046571

再次进行循环:

e=3
next=e.next ----> next=null
e.next=newTable[3] ----> e.next=7 3.next=7
newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=null

注意此次循环:e.next=7,而在上次循环中7.next=3,出现环形链表,并且此时e=null循环结束。

结果如下:

image-20200830125128562

在后续操作中只要涉及轮询hashmap的数据结构,就会在这里发生死循环,造成悲剧。

1.2 扩容造成数据丢失分析过程

遵照上述分析过程,初始时:

image-20200830125212878

线程A和线程B进行put操作,同样线程A挂起:

image-20200830125445279

此时线程A的运行结果如下:

image-20200830125524487

此时线程B已获得CPU时间片,并完成resize操作:

image-20200830125542011

同样注意由于线程B执行完成,newTable和table都为最新值:5.next=null

此时切换到线程A,在线程A挂起时:e=7,next=5,newTable[3]=null。

执行newtable[i]=e,就将7放在了table[3]的位置,此时next=5。接着进行下一次循环:

e=5
next=e.next ----> next=**null**,从主存中取值
e.next=newTable[1] ----> e.next=5,从主存中取值
newTable[1]=e ----> newTable[1]=5
e=next ----> e=**null**

将5放置在table[1]位置,此时e=null循环结束,3元素丢失,并形成环形链表。并在后续操作hashmap时造成死循环。

image-20200830125733553

2. jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化,在发生hash碰撞,不再采用头插法方式,而是直接插入链表尾部,因此不会出现环形链表的情况,但是在多线程的情况下仍然不安全,这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码:

/**
     * Implements Map.put and related methods.
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)// 如果没有hash碰撞则直接插入元素
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数, 注意第16行代码,如果没有hash碰撞则会直接插入元素。如果线程A和线程B同时进行put操作,刚好这两条不同的数据hash值一样,并且该位置数据为null,所以这线程A、B都会进入第6行代码中。假设一种情况,线程A进入后还未进行数据插入时挂起,而线程B正常执行,从而正常插入数据,然后线程A获取CPU时间片,此时线程A不用再进行hash判断了,问题出现:线程A会把线程B插入的数据给覆盖,发生线程不安全。

这里只是简要分析下jdk1.8中HashMap出现的线程不安全问题的体现,后续将会对java的集合框架进行总结,到时再进行具体分析。

总结

首先HashMap是线程不安全的,其主要体现:

1.在jdk1.7中,在多线程环境下,扩容时会造成环形链或数据丢失。

2.在jdk1.8中,在多线程环境下,会发生数据覆盖的情况。

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/VtIpj-uuxFj5Bf6TmTJMTw