HashMap線程不安全問題解析

更新時間：2023年11月02日 08:44:59 作者：Heloise_yangyuchang

這篇文章主要介紹了HashMap線程不安全問題解析,HashMap的線程不安全體現在會造成死循環(huán)、數據丟失、數據覆蓋等問題,其中死循環(huán)和數據丟失是在JDK1.7中出現的問題,在JDK1.8中已經得到解決,但是1.8中仍會有數據覆蓋這樣的問題,需要的朋友可以參考下

一、概述

結論：HashMap的線程不安全體現在會造成死循環(huán)、數據丟失、數據覆蓋等問題。其中死循環(huán)和數據丟失是在JDK1.7中出現的問題，在JDK1.8中已經得到解決，但是1.8中仍會有數據覆蓋這樣的問題。HashMap是線程不安全的，線程安全場景應該使用ConcurrentHashMap。

HashMap的線程不安全主要是發(fā)生在擴容方法中，JDK1.7中HashMap的transfer函數如下：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) {
            while(null != e) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                if (rehash) {
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

HashMap的擴容操作（先擴容在頭插法插入）會重新定位每個桶的下標，并采用頭插法將元素遷移到新數組中。頭插法會將鏈表的順序翻轉，這也是造成死循環(huán)和數據丟失的關鍵。

二、JDK1.7中HashMap擴容分析

比如現在有兩個線程A、B同時對下面這個HashMap進行擴容操作：

在這里插入圖片描述

正常擴容后的結果如下（7%4=3%4=3）：

在這里插入圖片描述

但是當線程A執(zhí)行到上面transfer函數的第11行代碼時，CPU時間片耗盡，線程A被掛起,即

 newTable[i] = e; //此處掛起，此時還沒有執(zhí)行

此時線程A中：e=3、next=7、e.next=null

在這里插入圖片描述

此時線程B開始執(zhí)行，并且線程B成功的完成了數據遷移，如下：

在這里插入圖片描述

這個是問題出現關鍵時間段，根據Java JMM，線程B執(zhí)行完數據遷移后，此時主內存中newTable和table都是最新的，也就是說：7.next=3；3.next=null

此時線程A獲得CPU時間片繼續(xù)執(zhí)行newTable[i] = e，將3放入新數組對應的位置，執(zhí)行完此輪循環(huán)后線程A的情況如下

在這里插入圖片描述

接著繼續(xù)執(zhí)行下一輪循環(huán)，此時e=7，從主內存中讀取e.next時發(fā)現主內存中7.next=3，即next=3，并將7采用頭插法的方式放入新數組中，并繼續(xù)執(zhí)行完此輪循環(huán)，結果如下：

在這里插入圖片描述

繼續(xù)執(zhí)行下一次循環(huán)可以發(fā)現， e.next=null，所以此輪循環(huán)將會是最后一輪循環(huán)。接下來當執(zhí)行完e.next=newTable[i]即3.next=7后，3和7之間就相互連接了，當執(zhí)行完newTable[i]=e后，3被頭插法重新插入到鏈表中，執(zhí)行結果如下圖所示：

在這里插入圖片描述

到此線程A、B的擴容操作完成。

顯然當線程A執(zhí)行完后，HashMap中出現了環(huán)形結構，當在以后對該HashMap進行操作時會出現死循環(huán)。并且從上圖可以發(fā)現，元素5在擴容期間被莫名的丟失了，這就發(fā)生了數據丟失的問題。

三、JDK1.8中的線程不安全

JDK1.7出現的問題，在JDK1.8中已經得到了很好的解決，JDK1.8直接在resize函數中完成了數據遷移。在進行元素插入時使用的是尾插法然后在擴容。

但是在1.8中仍會有數據覆蓋這樣的問題，先看put源碼：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //判斷是否出現hash碰撞,如果沒有hash碰撞則直接插入元素，此處線程不安全
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold) //++size此處線程不安全
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

其中代碼if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 是判斷是否出現hash碰撞：比如兩個線程A、B都在進行put操作，并且hash函數計算出的插入下標是相同的，當線程A執(zhí)行完第六行代碼后由于時間片耗盡導致被掛起，而線程B得到時間片后在該下標處插入了元素，完成了正常的插入，然后線程A獲得時間片，由于之前已經進行了hash碰撞的判斷，所有此時不會再進行判斷，而是直接進行插入，這就導致了線程B插入的數據被線程A覆蓋了，從而線程不安全。

還有一種情況就是代碼 if (++size > threshold)中的++size：同樣還是線程A、B，這兩個線程同時進行put操作時，假設當前HashMap的zise大小為10，當線程A執(zhí)行到此行代碼時，從主內存中獲得size的值為10后準備進行+1操作，但是由于時間片耗盡只好讓出CPU，線程B快樂的拿到CPU還是從主內存中拿到size的值10進行+1操作，完成了put操作并將size=11寫回主內存，然后線程A再次拿到CPU并繼續(xù)執(zhí)行(此時size的值仍為10)，當執(zhí)行完put操作后，還是將size=11寫回內存，此時線程A、B都執(zhí)行了一次put操作，但是size的值只增加了1，所有說還是由于數據覆蓋又導致了線程不安全。