Java HashMap的死循环_JAVA_编程开发_程序员俱乐部

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个CPU被100%的线上故障，并且这个事发生了很多次，原因是在Java语言在并发情况下使用HashMap造成 Race Condition，从而导致死循环。这个事情我4、5年前也经历过，本来觉得没什么好写的，因为Java的HashMap是非线程安全的，所以在并发下 必然出现问题。但是，我发现近几年，很多人都经历过这个事（在网上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在说这个事）所以，觉得这个是个普遍问题，需要写篇疫苗文章说一下这个事，并且给大家看看一个完美的“Race Condition”是怎么形成的。

问题的症状

从前我们的Java代码因为一些原因使用了HashMap这个东西，但是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，我们的程序性能有问题，所以需要变 成多线程的，于是，变成多线程后到了线上，发现程序经常占了100%的CPU，查看堆栈，你会发现程序都Hang在了HashMap.get()这个方法 上了，重启程序后问题消失。但是过段时间又会来。而且，这个问题在测试环境里可能很难重现。

我们简单的看一下我们自己的代码，我们就知道HashMap被多个线程操作。而Java的文档说HashMap是非线程安全的，应该用ConcurrentHashMap。

但是在这里我们可以来研究一下原因。

?

Hash表数据结构

我需要简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap通常会用一个指针数组（假设为table[]）来做分散所有的key，当一个key被加入时，会通过Hash算法通过key算出这个数组的 下标i，然后就把这个<key, value>插到table[i]中，如果有两个不同的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table[i]上形成一个链 表。

我们知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10个keys的话，那么碰撞非常频繁，于是一个O(1)的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了O(n)，这是Hash表的缺陷（可参看《Hash Collision DoS 问题》）。

所以，Hash表的尺寸和容量非常的重要。一般来说，Hash表这个容器当有数据要插入时，都会检查容量有没有超过设定的thredhold，如果超过， 需要增大Hash表的尺寸，但是这样一来，整个Hash表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。

相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。

HashMap的rehash源代码

下面，我们来看一下Java的HashMap的源代码。

Put一个Key,Value对到Hash表中：

?

[java] view plaincopy

class="dp-j">
1. public?V?put(K?key,?V?value)??
2. {??
3. ????......??
4. ????//算Hash值??
5. ????int?hash?=?hash(key.hashCode());??
6. ????int?i?=?indexFor(hash,?table.length);??
7. ????//如果该key已被插入，则替换掉旧的value?（链接操作）??
8. ????for?(Entry<K,V>?e?=?table[i];?e?!=?null;?e?=?e.next)?{??
9. ????????Object?k;??
10. ????????if?(e.hash?==?hash?&&?((k?=?e.key)?==?key?||?key.equals(k)))?{??
11. ????????????V?oldValue?=?e.value;??
12. ????????????e.value?=?value;??
13. ????????????e.recordAccess(this);??
14. ????????????return?oldValue;??
15. ????????}??
16. ????}??
17. ????modCount++;??
18. ????//该key不存在，需要增加一个结点??
19. ????addEntry(hash,?key,?value,?i);??
20. ????return?null;??
21. }??

检查容量是否超标

?

[java] view plaincopy

1. void?addEntry(int?hash,?K?key,?V?value,?int?bucketIndex)??
2. {??
3. ????Entry<K,V>?e?=?table[bucketIndex];??
4. ????table[bucketIndex]?=?new?Entry<K,V>(hash,?key,?value,?e);??
5. ????//查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold，如果超过，需要resize??
6. ????if?(size++?>=?threshold)??
7. ????????resize(2?*?table.length);??
8. }??

新建一个更大尺寸的hash表，然后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

?

[java] view plaincopy

1. void?resize(int?newCapacity)??
2. {??
3. ????Entry[]?oldTable?=?table;??
4. ????int?oldCapacity?=?oldTable.length;??
5. ????......??
6. ????//创建一个新的Hash?Table??
7. ????Entry[]?newTable?=?new?Entry[newCapacity];??
8. ????//将Old?Hash?Table上的数据迁移到New?Hash?Table上??
9. ????transfer(newTable);??
10. ????table?=?newTable;??
11. ????threshold?=?(int)(newCapacity?*?loadFactor);??
12. }??

迁移的源代码，注意高亮处：

?

[java] view plaincopy

1. void?transfer(Entry[]?newTable)??
2. {??
3. ????Entry[]?src?=?table;??
4. ????int?newCapacity?=?newTable.length;??
5. ????//下面这段代码的意思是：??
6. ????//??从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中??
7. ????for?(int?j?=?0;?j?<?src.length;?j++)?{??
8. ????????Entry<K,V>?e?=?src[j];??
9. ????????if?(e?!=?null)?{??
10. ????????????src[j]?=?null;??
11. ????????????do?{??
12. ????????????????Entry<K,V>?next?=?e.next;??
13. ????????????????int?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);??
14. ????????????????e.next?=?newTable[i];??
15. ????????????????newTable[i]?=?e;??
16. ????????????????e?=?next;??
17. ????????????}?while?(e?!=?null);??
18. ????????}??
19. ????}??
20. }??

好了，这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。

正常的ReHash的过程

画了个图做了个演示。

• 我假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小（也就是数组的长度）。

• 最上面的是old hash 表，其中的Hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5，在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。

• 接下来的三个步骤是Hash表 resize成4，然后所有的<key,value> 重新rehash的过程

并发下的Rehash

1）假设我们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。

我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节：

?

[java] view plaincopy

1. do?{??
2. ????Entry<K,V>?next?=?e.next;?//?<--假设线程一执行到这里就被调度挂起了??
3. ????int?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);??
4. ????e.next?=?newTable[i];??
5. ????newTable[i]?=?e;??
6. ????e?=?next;??
7. }?while?(e?!=?null);??

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

注意，因为Thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)，其在线程二rehash后，指向了线程二重组后的链表。我们可以看到链表的顺序被反转后。

2）线程一被调度回来执行。

• 先是执行 newTalbe[i] = e;
• 然后是e = next，导致了e指向了key(7)，
• 而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)

3）一切安好。

线程一接着工作。把key(7)摘下来，放到newTable[i]的第一个，然后把e和next往下移。

DBA2.jpg" height="411">

4）环形链接出现。

e.next = newTable[i] 导致? key(3).next 指向了 key(7)

注意：此时的key(7).next 已经指向了key(3)， 环形链表就这样出现了。

于是，当我们的线程一调用到，HashTable.get(11)时，悲剧就出现了——Infinite Loop。