HashMap死循环问题追踪

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#jdk #hashmap #多线程 #并发

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本文深入分析了HashMap在多线程环境下可能出现的死循环问题，并详细解释了其内部机制及jdk1.8对其所做的优化。

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HashMap死循环问题追踪

简介

HashMap在设计之初并没有考虑多线程并发的情况，多线程并发的情况下理论上应该使用ConcurrentHashMap，但是程序中经常会无意中在多并发的情况下使用了HashMap，如果是jdk1.8以下的版本，有可能会导致死循环，打满cpu占用，下面基于jdk1.7源码分析下原因。

HashMap的原理

我们从put看起

    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        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;
    }

HashMap基于Hash表来存储数据，冲突的键通过拉链法形成一条链表
插入的时候，首先判断在链表中有没有key相同的项存在，如果有，则直接进行替换，并返回旧值。
如果key不存在，则需要在链表中新加一个项，进入addEntry方法。

addEntry方法长这样：

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

如果当前key的数量大于扩容阈值而且当前要放的位置已经有值，则会进行resize进行扩容，这里可以看出，如果hash表的长度为4，按照hashmap双倍扩容的策略，在hash表里的数据量大小为8的时候才会进行扩容，并且保证当前放的这个位置已经有值。平均hash每个位置会存储两个值，应该是综合扩容效率和查找效率设计的。
确认hash表之后，则会新建一个entry放入hashmap，没什么特殊处理。

下面就是resize方法：

    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);
    }

首先判断容量是否已经到达MAXIMUM_CAPACITY，这里是为了避免双倍扩容导致int越界，如果已经到达最大值，则直接返回。
如果没有，则申请新的容量为之前两倍的数组，并将之前的数据转移到新的数组中。

然后就是关键方法transfer：

    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;
            }
        }
    }

trans方法设计比较巧妙，每次取旧的key链表的头，放入新的key链表的头，这样会导致一个情况出现：

假设原本是A->B->C的链表，旧链表为null，则第一次之后旧链表会变成B->C，新链表为A。
第二次旧链表变成C，新链表为B->A。
第三次旧链表为null，新链表为C->B->A，整个链表的顺序被颠倒。
这种颠倒在单线程的情况下不会出现任何问题，方法简单有效，但是在多线程下，则会出现问题，下面分析一下。

死循环原因

现在假设有thread1，thread2两个线程，旧链表的情况为A->B->null。
当thread1执行到
Entry<K,V> next = e.next;这句时，发生线程切换，thread2开始扩容，此时对线程A来说，存在以下关系。

thread1:
e=A
next=B

旧链表：
A->B->null

新链表：
null

thread2扩容完成，线程切换回Thread1，此时存在如下关系：

thread1:
e=A
next=B

旧链表：
null

新链表：
B->A->null

thread1执行下一句e.next = newTable[i];，执行完变成如下关系：

thread1:
e=A
next=B

旧链表：
null

新链表：
B->A->B（出现循环）

thread1继续执行newTable[i] = e;，执行完变成如下关系：

thread1:
e=A
next=B

旧链表：
null

新链表：
A->B->A

thread1继续执行e = next;，执行完变成如下关系：

thread1:
e=B
next=B

旧链表：
null

新链表：
A->B->A

thread1已经进入死循环。

jdk1.8优化

那么对于jdk1.8是如何做的呢，1.8的resize比较复杂，核心点在下面：

        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
        Node<K,V> next;
        do {
            next = e.next;
            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                if (loTail == null)
                    loHead = e;
                else
                    loTail.next = e;
                    loTail = e;
            }
            else {
                if (hiTail == null)
                    hiHead = e;
                else
                    hiTail.next = e;
                    hiTail = e;
            }
        } while ((e = next) != null);