深刻解讀HashMap線程安全性問題

HashMap是線程不安全的，在多線程環境下對某個對象中HashMap類型的實例變量進行操做時，可能會產生各類不符合預期的問題。

本文詳細說明一下HashMap存在的幾個線程安全問題。

注：如下基於JDK1.8

1 多線程的put可能致使元素的丟失

1.1 試驗代碼以下

注：僅做爲可能會產生這個問題的樣例代碼，直接運行不必定會產生問題

public class ConcurrentIssueDemo1 {

    private static Map<String, String> map = new HashMap<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 線程1 => t1
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 99999999; i++) {
                    map.put("thread1_key" + i, "thread1_value" + i);
                }
            }
        }).start();
        // 線程2 => t2
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 99999999; i++) {
                    map.put("thread2_key" + i, "thread2_value" + i);
                }
            }
        }).start();
    }
}
複製代碼

1.2 觸發此問題的場景

先來看一下put方法的源碼

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, I;
    // 初始化hash表
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 經過hash值計算在hash表中的位置，並將這個位置上的元素賦值給p，若是是空的則new一個新的node放在這個位置上
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        // hash表的當前index已經存在元素，向這個元素後追加鏈表
        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) {
                // 新建節點並追加到鏈表
                if ((e = p.next) == null) { // #1
                    p.next = newNode(hash, key, value, null); // #2
                    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;
}
複製代碼

假設當前HashMap中的table狀態以下：

此時t1和t2同時執行put，假設t1執行put(「key2」, 「value2」)，t2執行put(「key3」, 「value3」)，而且key2和key3的hash值與圖中的key1相同。

那麼正常狀況下，put完成後，table的狀態應該是下圖兩者其一

下面來看看異常狀況

假設線程一、線程2如今都執行到put源代碼中#1的位置，且當前table狀態以下

而後兩個線程都執行了if ((e = p.next) == null)這句代碼，來到了#2這行代碼。

此時假設t1先執行p.next = newNode(hash, key, value, null);

那麼table會變成以下狀態

緊接着t2執行p.next = newNode(hash, key, value, null);

此時table會變成以下狀態

這樣一來，key2元素就丟了。

2 put和get併發時，可能致使get爲null

場景：線程1執行put時，由於元素個數超出threshold而致使rehash，線程2此時執行get，有可能致使這個問題。

分析以下：

先看下resize方法源碼

大體意思是，先計算新的容量和threshold，在建立一個新hash表，最後將舊hash表中元素rehash到新的hash表中

重點代碼在於#1和#2兩句

// hash表
transient Node<K,V>[] table;

final Node<K,V>[] resize() {
    // 計算新hash表容量大小，begin
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    // 計算新hash表容量大小，end

    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked」})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; // #1
    table = newTab; // #2
    // rehash begin
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    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);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    // rehash end
    return newTab;
}
複製代碼

在代碼#1位置，用新計算的容量new了一個新的hash表，#2將新建立的空hash表賦值給實例變量table。

注意此時實例變量table是空的。

那麼，若是此時另外一個線程執行get時，就會get出null。

3 JDK7中HashMap併發put會形成循環鏈表，致使get時出現死循環

此問題在JDK8中已經解決。

3.1 JDK7中循環鏈表的造成

發生在多線程併發resize的狀況下。

相關源碼以下：

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);
}

/**
 * Transfers all entries from current table to newTable.
 */
// 關鍵在於這個transfer方法，這個方法的做用是將舊hash表中的元素rehash到新的hash表中
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) { // table變量即爲舊hash表
        while(null != e) {
            // #1
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            // 用元素的hash值計算出這個元素在新hash表中的位置
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            // #2
            e.next = newTable[I];
            // #3
            newTable[i] = e;
            // #4
            e = next;
        }
    }
}
複製代碼

假設線程1(t1)和線程2(t2)同時resize，兩個線程resize前，兩個線程及hashmap的狀態以下

堆內存中的HashMap對象中的table字段指向舊的hash表，其中index爲7的位置有兩個元素，咱們以這兩個元素的rehash爲例，看看循環鏈表是如何造成的。

線程1和線程2分別new了一個hash表，用newTable字段表示。

PS：若是將每一步的執行都以圖的形式呈現出來，篇幅過大，這裏提供一下每次循環結束時的狀態，能夠根據代碼和每一步的解釋一步一步推算。

Step1: t2執行完#1代碼後，CPU且走執行t1，而且t1執行完成

這裏能夠根據上圖推算一下，此時狀態以下

用t2.e表示線程2中的局部變量e，t2.next同理。

Step2: t2繼續向下執行完本次循環

Step3: t2繼續執行下一次循環

Step4: t2繼續下一次循環，循環鏈表出現

3.2 死循環的出現

HashMap.get方法源碼以下：

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }

    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    // 遍歷鏈表
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
        Object k;
        // 假設這裏條件一直不成立
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}
複製代碼

由上圖可知，for循環中的e = e.next永遠不會爲空，那麼，若是get一個在這個鏈表中不存在的key時，就會出現死循環了。

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