HashMap线程不安全的具体原因

在上一篇博客里HashMap三百问，我们知道了很多关于HashMap的知识，我们也知道了HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢？

这篇文章告诉你。

目录：

1.jdk1.7中的HashMap

　　1.1 扩容造成死循环分析过程

　　1.2 扩容造成数据丢失分析过程

2.jdk1.8中HashMap

3.总结

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1. jdk1.7中的HashMap

虽然现在jdk已经到15了，但是经典的jdk还是需要我们了解的。现在大部分人使用的还是jdk1.8，,我们知道jdk1.8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：

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。在多次运行该代码后，会出现如下死循环情形：

 

 

 其中有几次还会出现数组越界的情况：

 

 

 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：

 

 

 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：

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;   //挂起
                e = next;
            }
        }
    }

通过以上可以看出：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12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，这也是形成死循环的关键点。下面进行详细分析。

 

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件：

我们假设

• 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：

 

 

 如果在单线程环境下，最后的结果如下：

 

 

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

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11行代码处挂起。

此时线程A中运行结果如下：

 

 

 线程A挂起后，此时若线程B正常执行，并完成resize操作，则结果如下：

 

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：

 

 

 

 继续循环则有：

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：

 

 

 再次进行循环： 

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

注意此次循环：e=3, 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：

 

 

 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：

 

 

 线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

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;   //线程A挂起
                e = next;
            }
        }
    }

此时线程A的运行结果如下：

 

 

 此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

 

 

 

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。

 

 

 

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：

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6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。

 

3. 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。

 

参考及致谢：

1.HashMap线程不安全的体现

 

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