HashMap線程不安全的體現

前言：咱們都知道HashMap是線程不安全的，在多線程環境中不建議使用，可是其線程不安全主要體如今什麼地方呢，本文將對該問題進行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中對HashMap作了不少優化，這裏先分析在jdk1.7中的問題，相信你們都知道在jdk1.7多線程環境下HashMap容易出現死循環，這裏咱們先用代碼來模擬出現死循環的狀況：

 1 public class HashMapTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         HashMapThread thread0 = new HashMapThread();
 5         HashMapThread thread1 = new HashMapThread();
 6         HashMapThread thread2 = new HashMapThread();
 7         HashMapThread thread3 = new HashMapThread();
 8         HashMapThread thread4 = new HashMapThread();
 9         thread0.start();
10         thread1.start();
11         thread2.start();
12         thread3.start();
13         thread4.start();
14     }
15 }
16 
17 class HashMapThread extends Thread {
18     private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
19     private static Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
20 
21     @Override
22     public void run() {
23         while (ai.get() < 1000000) {
24             map.put(ai.get(), ai.get());
25             ai.incrementAndGet();
26         }
27     }
28 }

上述代碼比較簡單，就是開多個線程不斷進行put操做，而且HashMap與AtomicInteger都是全局共享的。在多運行幾回該代碼後，出現以下死循環情形：

其中有幾回還會出現數組越界的狀況：

這裏咱們着重分析爲何會出現死循環的狀況，經過jps和jstack命名查看死循環狀況，結果以下：

從堆棧信息中能夠看到出現死循環的位置，經過該信息可明確知道死循環發生在HashMap的擴容函數中，根源在transfer函數中，jdk1.7中HashMap的transfer函數以下：

 1    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
 2         int newCapacity = newTable.length;
 3         for (Entry<K,V> e : table) {
 4             while(null != e) {
 5                 Entry<K,V> next = e.next;
 6                 if (rehash) {
 7                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
 8                 }
 9                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
10                 e.next = newTable[i];
11                 newTable[i] = e;
12                 e = next;
13             }
14         }
15     }

總結下該函數的主要做用：

在對table進行擴容到newTable後，須要將原來數據轉移到newTable中，注意10-12行代碼，這裏能夠看出在轉移元素的過程當中，使用的是頭插法，也就是鏈表的順序會翻轉，這裏也是造成死循環的關鍵點。下面進行詳細分析。

1.1 擴容形成死循環分析過程

前提條件：

這裏假設

#1.hash算法爲簡單的用key mod鏈表的大小。

#2.最開始hash表size=2，key=3,7,5，則都在table[1]中。

#3.而後進行resize，使size變成4。

未resize前的數據結構以下：

若是在單線程環境下，最後的結果以下：

這裏的轉移過程，再也不進行詳述，只要理解transfer函數在作什麼，其轉移過程以及如何對鏈表進行反轉應該不難。

而後在多線程環境下，假設有兩個線程A和B都在進行put操做。線程A在執行到transfer函數中第11行代碼處掛起，由於該函數在這裏分析的地位很是重要，所以再次貼出來。

此時線程A中運行結果以下：

線程A掛起後，此時線程B正常執行，並完成resize操做，結果以下：

這裏須要特別注意的點：因爲線程B已經執行完畢，根據Java內存模型，如今newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此時切換到線程A上，在線程A掛起時內存中值以下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代碼執行過程以下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=7

此時結果以下：

繼續循環：

e=7
next=e.next ----> next=3【從主存中取值】
e.next=newTable[3] ----> e.next=3【從主存中取值】
newTable[3]=e ----> newTable[3]=7
e=next ----> e=3

結果以下：

再次進行循環： 

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

注意這次循環：e.next=7，而在上次循環中7.next=3，出現環形鏈表，而且此時e=null循環結束。

結果以下：

在後續操做中只要涉及輪詢hashmap的數據結構，就會在這裏發生死循環，形成悲劇。

1.2 擴容形成數據丟失分析過程

遵守上述分析過程，初始時：

線程A和線程B進行put操做，一樣線程A掛起：

此時線程A的運行結果以下：

此時線程B已得到CPU時間片，並完成resize操做：

一樣注意因爲線程B執行完成，newTable和table都爲最新值：5.next=null。

此時切換到線程A，在線程A掛起時：e=7，next=5，newTable[3]=null。

執行newtable[i]=e，就將7放在了table[3]的位置，此時next=5。接着進行下一次循環：

e=5
next=e.next ----> next=null，從主存中取值
e.next=newTable[1] ----> e.next=5，從主存中取值
newTable[1]=e ----> newTable[1]=5
e=next ----> e=null

將5放置在table[1]位置，此時e=null循環結束，3元素丟失，並造成環形鏈表。並在後續操做hashmap時形成死循環。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中對HashMap進行了優化，在發生hash碰撞，再也不採用頭插法方式，而是直接插入鏈表尾部，所以不會出現環形鏈表的狀況，可是在多線程的狀況下仍然不安全，這裏咱們看jdk1.8中HashMap的put操做源碼：

 1  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
 2                    boolean evict) {
 3         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
 4         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
 5             n = (tab = resize()).length;
 6         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 若是沒有hash碰撞則直接插入元素
 7             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
 8         else {
 9             Node<K,V> e; K k;
10             if (p.hash == hash &&
11                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
12                 e = p;
13             else if (p instanceof TreeNode)
14                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
15             else {
16                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
17                     if ((e = p.next) == null) {
18                         p.next = newNode(hash, key, value, null);
19                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
20                             treeifyBin(tab, hash);
21                         break;
22                     }
23                     if (e.hash == hash &&
24                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
25                         break;
26                     p = e;
27                 }
28             }
29             if (e != null) { // existing mapping for key
30                 V oldValue = e.value;
31                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
32                     e.value = value;
33                 afterNodeAccess(e);
34                 return oldValue;
35             }
36         }
37         ++modCount;
38         if (++size > threshold)
39             resize();
40         afterNodeInsertion(evict);
41         return null;
42     }

這是jdk1.8中HashMap中put操做的主函數， 注意第6行代碼，若是沒有hash碰撞則會直接插入元素。若是線程A和線程B同時進行put操做，恰好這兩條不一樣的數據hash值同樣，而且該位置數據爲null，因此這線程A、B都會進入第6行代碼中。假設一種狀況，線程A進入後還未進行數據插入時掛起，而線程B正常執行，從而正常插入數據，而後線程A獲取CPU時間片，此時線程A不用再進行hash判斷了，問題出現：線程A會把線程B插入的數據給覆蓋，發生線程不安全。

這裏只是簡要分析下jdk1.8中HashMap出現的線程不安全問題的體現，後續將會對java的集合框架進行總結，到時再進行具體分析。

總結

首先HashMap是線程不安全的，其主要體現：

#1.在jdk1.7中，在多線程環境下，擴容時會形成環形鏈或數據丟失。

#2.在jdk1.8中，在多線程環境下，會發生數據覆蓋的狀況。

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by Shawn Chen，2019.03.02，上午。