前言:我们都知道HashMap是线程不安全的,在多线程环境中不建议使用,但是其线程不安全主要体现在什么地方呢,本文将对该问题进行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

HashMap 死循环是一个比较常见、比较经典的问题,在日常的面试中出现的频率比较高,所以接下来咱们通过图解的方式,带大家彻底理解死循环的原因。

前置知识

死循环问题发生在 JDK 1.7 版本中,造成这个问题主要是由于 HashMap 自身的运行机制,加上并发操作,从而导致了死循环。在 JDK 1.7 中 HashMap 的底层数据实现是数组 + 链表的方式,如下图所示:

java hashmap 多线程遍历_死循环

而 HashMap 在数据添加时使用的是头插入,如下图所示:

java hashmap 多线程遍历_java_02

HashMap 正常情况下的扩容实现如下图所示:

java hashmap 多线程遍历_java_03

旧 HashMap 的节点会依次转移到新 HashMap 中,旧 HashMap 转移的顺序是 A、B、C,而新 HashMap 使用的是头插法,所以最终在新 HashMap 中的顺序是 C、B、A,也就是上图展示的那样。有了这些前置知识之后,咱们来看死循环是如何诞生的?

死循环执行步骤1

死循环是因为并发 HashMap 扩容导致的,并发扩容的第一步,线程 T1 和线程 T2 要对 HashMap 进行扩容操作,此时 T1 和 T2 指向的是链表的头结点元素 A,而 T1 和 T2 的下一个节点,也就是 T1.next 和 T2.next 指向的是 B 节点,如下图所示:

java hashmap 多线程遍历_死循环_04

死循环执行步骤2

死循环的第二步操作是,线程 T2 时间片用完进入休眠状态,而线程 T1 开始执行扩容操作,一直到线程 T1 扩容完成后,线程 T2 才被唤醒,扩容之后的场景如下图所示:图片从上图可知线程 T1 执行之后,因为是头插法,所以 HashMap 的顺序已经发生了改变,但线程 T2 对于发生的一切是不可知的,所以它的指向元素依然没变,如上图展示的那样,T2 指向的是 A 元素,T2.next 指向的节点是 B 元素。

java hashmap 多线程遍历_java_05

死循环执行步骤3

当线程 T1 执行完,而线程 T2 恢复执行时,死循环就建立了,如下图所示:

java hashmap 多线程遍历_java hashmap 多线程遍历_06

因为 T1 执行完扩容之后 B 节点的下一个节点是 A,而 T2 线程指向的首节点是 A,第二个节点是 B,这个顺序刚好和 T1 扩完容完之后的节点顺序是相反的。T1 执行完之后的顺序是 B 到 A,而 T2 的顺序是 A 到 B,这样 A 节点和 B 节点就形成死循环了,这就是 HashMap 死循环导致的原因。

解决方案
HashMap 死循环的常用解决方案有以下 3 个:

使用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代(推荐使用此方案)。
使用线程安全容器 Hashtable 替代(性能低,不建议使用)。
使用 synchronized 或 Lock 加锁 HashMap 之后,再进行操作,相当于多线程排队执行(比较麻烦,也不建议使用)。
总结
HashMap 死循环发生在 JDK 1.7 版本中,形成死循环的原因是 HashMap 在 JDK 1.7 使用的是头插法,头插法 + 链表 + 多线程并发 + HashMap 扩容,这几个点加在一起就形成了 HashMap 的死循环,解决死锁可以采用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化,在发生hash碰撞,不再采用头插法方式,而是直接插入链表尾部,因此不会出现环形链表的情况,但是在多线程的情况下仍然不安全,这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码:

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) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素
 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     }

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数, 注意第6行代码,如果没有hash碰撞则会直接插入元素。如果线程A和线程B同时进行put操作,刚好这两条不同的数据hash值一样,并且该位置数据为null,所以这线程A、B都会进入第6行代码中。假设一种情况,线程A进入后还未进行数据插入时挂起,而线程B正常执行,从而正常插入数据,然后线程A获取CPU时间片,此时线程A不用再进行hash判断了,问题出现:线程A会把线程B插入的数据给覆盖,发生线程不安全。

这里只是简要分析下jdk1.8中HashMap出现的线程不安全问题的体现,后续将会对java的集合框架进行总结,到时再进行具体分析。
总结

首先HashMap是线程不安全的,其主要体现:

#1.在jdk1.7中,在多线程环境下,扩容时会造成环形链或数据丢失。

#2.在jdk1.8中,在多线程环境下,会发生数据覆盖的情况。