推薦：併發狀況下：Java HashMap 造成死循環的緣由

在淘寶內網裏看到同事發了貼說了一個CPU被100%的線上故障，而且這個事發生了不少次，緣由是在Java語言在併發狀況下使用HashMap形成Race Condition，從而致使死循環。這個事情我四、5年前也經歷過，原本以爲沒什麼好寫的，由於Java的HashMap是非線程安全的，因此在併發下必然出現問題。可是，我發現近幾年，不少人都經歷過這個事（在網上查「HashMap Infinite Loop」能夠看到不少人都在說這個事）因此，以爲這個是個廣泛問題，須要寫篇疫苗文章說一下這個事，而且給你們看看一個完美的「Race Condition」是怎麼造成的。

問題的症狀

從前咱們的Java代碼由於一些緣由使用了HashMap這個東西，可是當時的程序是單線程的，一切都沒有問題。後來，咱們的程序性能有問題，因此須要變成多線程的，因而，變成多線程後到了線上，發現程序常常佔了100%的CPU，查看堆棧，你會發現程序都Hang在了HashMap.get()這個方法上了，重啓程序後問題消失。可是過段時間又會來。並且，這個問題在測試環境裏可能很難重現。

咱們簡單的看一下咱們本身的代碼，咱們就知道HashMap被多個線程操做。而Java的文檔說HashMap是非線程安全的，應該用ConcurrentHashMap。

可是在這裏咱們能夠來研究一下緣由：

主要是多線程同時put時，若是同時觸發了rehash操做，會致使HashMap中的鏈表中出現循環節點，進而使得後面get的時候，會死循環。

 

 

Hash表數據結構

我須要簡單地說一下HashMap這個經典的數據結構。

HashMap一般會用一個指針數組（假設爲table[]）來作分散全部的key，當一個key被加入時，會經過Hash算法經過key算出這個數組的下標i，而後就把這個<key, value>插到table[i]中，若是有兩個不一樣的key被算在了同一個i，那麼就叫衝突，又叫碰撞，這樣會在table[i]上造成一個鏈表。

咱們知道，若是table[]的尺寸很小，好比只有2個，若是要放進10個keys的話，那麼碰撞很是頻繁，因而一個O(1)的查找算法，就變成了鏈表遍歷，性能變成了O(n)，這是Hash表的缺陷（可參看《Hash Collision DoS 問題》）。

因此，Hash表的尺寸和容量很是的重要。通常來講，Hash表這個容器當有數據要插入時，都會檢查容量有沒有超過設定的thredhold，若是超過，須要增大Hash表的尺寸，可是這樣一來，整個Hash表裏的無素都須要被重算一遍。這叫rehash，這個成本至關的大。

相信你們對這個基礎知識已經很熟悉了。

HashMap的rehash源代碼

下面，咱們來看一下Java的HashMap的源代碼。

Put一個Key,Value對到Hash表中：

 

[java] view plain copy

1. public V put(K key, V value)  
2. {  
3.     ......  
4.     //算Hash值  
5.     int hash = hash(key.hashCode());  
6.     int i = indexFor(hash, table.length);  
7.     //若是該key已被插入，則替換掉舊的value （連接操做）  
8.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
9.         Object k;  
10.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
11.             V oldValue = e.value;  
12.             e.value = value;  
13.             e.recordAccess(this);  
14.             return oldValue;  
15.         }  
16.     }  
17.     modCount++;  
18.     //該key不存在，須要增長一個結點  
19.     addEntry(hash, key, value, i);  
20.     return null;  
21. }  

檢查容量是否超標

 

 

[java] view plain copy

1. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)  
2. {  
3.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
4.     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
5.     //查看當前的size是否超過了咱們設定的閾值threshold，若是超過，須要resize  
6.     if (size++ >= threshold)  
7.         resize(2 * table.length);  
8. }  

新建一個更大尺寸的hash表，而後把數據從老的Hash表中遷移到新的Hash表中。

 

 

[java] view plain copy

1. void resize(int newCapacity)  
2. {  
3.     Entry[] oldTable = table;  
4.     int oldCapacity = oldTable.length;  
5.     ......  
6.     //建立一個新的Hash Table  
7.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
8.     //將Old Hash Table上的數據遷移到New Hash Table上  
9.     transfer(newTable);  
10.     table = newTable;  
11.     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
12. }  

遷移的源代碼，注意高亮處：

 

 

[java] view plain copy

1. void transfer(Entry[] newTable)  
2. {  
3.     Entry[] src = table;  
4.     int newCapacity = newTable.length;  
5.     //下面這段代碼的意思是：  
6.     //  從OldTable裏摘一個元素出來，而後放到NewTable中  
7.     for (int j = 0; j < src.length; j++) {  
8.         Entry<K,V> e = src[j];  
9.         if (e != null) {  
10.             src[j] = null;  
11.             do {  
12.                 Entry<K,V> next = e.next;  
13.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
14.                 e.next = newTable[i];  
15.                 newTable[i] = e;  
16.                 e = next;  
17.             } while (e != null);  
18.         }  
19.     }  
20. }  

 

好了，這個代碼算是比較正常的。並且沒有什麼問題。

正常的ReHash的過程

畫了個圖作了個演示。

• 我假設了咱們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小（也就是數組的長度）。

• 最上面的是old hash 表，其中的Hash表的size=2, 因此key = 3, 7, 5，在mod 2之後都衝突在table[1]這裏了。

• 接下來的三個步驟是Hash表 resize成4，而後全部的<key,value> 從新rehash的過程

併發下的Rehash

1）假設咱們有兩個線程。我用紅色和淺藍色標註了一下。

咱們再回頭看一下咱們的 transfer代碼中的這個細節：

 

[java] view plain copy

1. do {  
2.     Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這裏就被調度掛起了  
3.     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
4.     e.next = newTable[i];  
5.     newTable[i] = e;  
6.     e = next;  
7. } while (e != null);  

 

而咱們的線程二執行完成了。因而咱們有下面的這個樣子。

注意，由於Thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)，其在線程二rehash後，指向了線程二重組後的鏈表。咱們能夠看到鏈表的順序被反轉後。

2）線程一被調度回來執行。

• 先是執行 newTalbe[i] = e;
• 而後是e = next，致使了e指向了key(7)，
• 而下一次循環的next = e.next致使了next指向了key(3)

3）一切安好。

線程一接着工做。把key(7)摘下來，放到newTable[i]的第一個，而後把e和next往下移。

4）環形連接出現。

e.next = newTable[i] 致使  key(3).next 指向了 key(7)

注意：此時的key(7).next 已經指向了key(3)， 環形鏈表就這樣出現了。

因而，當咱們的線程一調用到，HashTable.get(11)時，悲劇就出現了——Infinite Loop。

其它

有人把這個問題報給了Sun，不過Sun不認爲這個是一個問題。由於HashMap原本就不支持併發。要併發就用ConcurrentHashmap

http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457

我在這裏把這個事情記錄下來，只是爲了讓你們瞭解並體會一下併發環境下的危險。

參考：http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html