Java HashMap的死循環

時間 2019-11-17

標籤 java hashmap 循環欄目 Java 简体版

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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 html

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。 java

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。算法

可是在這裏咱們能夠來研究一下緣由。 shell

Hash 表數據結構 數組

我須要簡單地說一下 HashMap 這個經典的數據結構。安全

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。數據結構

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》）。多線程

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。併發

相信你們對這個基礎知識已經很熟悉了。 oop

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：

public V put (K key, V value)
{
    ......
    //算 Hash 值 int hash = hash (key.hashCode ());
    int i = indexFor (hash, table.length);
    //若是該 key 已被插入，則替換掉舊的 value （連接操做） 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++;
    //該 key 不存在，須要增長一個結點     addEntry (hash, key, value, i);
    return null;
}

檢查容量是否超標

void addEntry (int hash, K key, V value, int bucketIndex)
{
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //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 if (size++ >= threshold)
        resize (2 * table.length);
}

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。

void resize (int newCapacity)
{
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    ......
    //建立一個新的 Hash Table Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    //將 Old Hash Table 上的數據遷移到 New Hash Table 上     transfer (newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

遷移的源代碼，注意高亮處：

void transfer (Entry[] newTable)
{
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    //下面這段代碼的意思是：
    //  從 OldTable 裏摘一個元素出來，而後放到 NewTable 中 for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor (e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}

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：

do {
    Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這裏就被調度掛起了 int i = indexFor (e.hash, newCapacity);
    e.next = newTable[i];
    newTable[i] = e;
    e = next;
} 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。