JAVA中HASHMAP致使死循環（HashMap Infinite Loop）

JAVA hashmap死循環問題的出現緣由（引用自 酷殼）：

若是一個程序以前使用的是單線程，當程序有單線程編程了多線程後，就會出現這個程序佔用了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。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。

Hash表數據結構 

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。

查看源代碼 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);
        }
    }
}

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：

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。

• 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。

Demo類com.oldratlee.fucking.concurrency.HashMapHangDemo，能夠復現這個問題：

Demo說明

主線程中開啓2個任務線程執行HashMap的put操做。主線程作get操做。

問題說明

經過沒有持續的輸出斷定主線程Block，即HashMap的出現死循環。

快速運行

mvn compile exec:java -Dexec.mainClass=com.oldratlee.fucking.concurrency.HashMapHangDemo

具體demo以下:

public class HashMapHangDemo {
    final Map<Integer, Object> holder = new HashMap<Integer, Object>();

    public static void main(String[] args) {
        HashMapHangDemo demo = new HashMapHangDemo();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            demo.holder.put(i, null);
        }

        Thread thread = new Thread(demo.getConcurrencyCheckTask());
        thread.start();
        thread = new Thread(demo.getConcurrencyCheckTask());
        thread.start();

        System.out.println("Start get in main!");
        for (int i = 0; ; ++i) {
            for (int j = 0; j < 10000; ++j) {
                demo.holder.get(j);

                // 若是出現hashmap的get hang住問題，則下面的輸出就不會再出現了。
                // 在個人開發機上，很容易在第一輪就觀察到這個問題。
                System.out.printf("Got key %s in round %s\n", j, i);
            }
        }
    }

    ConcurrencyTask getConcurrencyCheckTask() {
        return new ConcurrencyTask();
    }

    private class ConcurrencyTask implements Runnable {
        Random random = new Random();

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Add loop started in task!");
            while (true) {
                holder.put(random.nextInt() % (1024 * 1024 * 100), null);
            }
        }
    }
}