Java京東面試題之為什麼HashMap線程不安全

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01、多線程下擴容會死循環

眾所周知，HashMap 是通過拉鏈法來解決哈希沖突的，也就是當哈希沖突時，會將相同哈希值的鍵值對通過鏈表的形式存放起來。

JDK 7 時，采用的是頭部插入的方式來存放鏈表的，也就是下一個沖突的鍵值對會放在上一個鍵值對的前面（同一位置上的新元素被放在鏈表的頭部）。擴容的時候就有可能導致出現環形鏈表，造成死循環。

resize 方法的源碼：

// newCapacity為新的容量
void resize(int newCapacity) {
    // 小數組，臨時過度下
    Entry[] oldTable = table;
    // 擴容前的容量
    int oldCapacity = oldTable.length;
    // MAXIMUM_CAPACITY 為最大容量，2 的 30 次方 = 1<<30
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        // 容量調整為 Integer 的最大值 0x7fffffff（十六進制）=2 的 31 次方-1
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    // 初始化一個新的數組（大容量）
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    // 把小數組的元素轉移到大數組中
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    // 引用新的大數組
    table = newTable;
    // 重新計算閾值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

transfer 方法用來轉移，將小數組的元素拷貝到新的數組中。

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    // 新的容量
    int newCapacity = newTable.length;
    // 遍歷小數組
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            // 拉鏈法，相同 key 上的不同值
            Entry<K,V> next = e.next;
            // 是否需要重新計算 hash
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            // 根據大數組的容量，和鍵的 hash 計算元素在數組中的下標
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

            // 同一位置上的新元素被放在鏈表的頭部
            e.next = newTable[i];

            // 放在新的數組上
            newTable[i] = e;

            // 鏈表上的下一個元素
            e = next;
        }
    }
}

註意 e.next = newTable[i] 和 newTable[i] = e 這兩行代碼，就會將同一位置上的新元素被放在鏈表的頭部。

擴容前的樣子假如是下面這樣子。

那麼正常擴容後就是下面這樣子。

假設現在有兩個線程同時進行擴容，線程 A 在執行到 newTable[i] = e; 被掛起，此時線程 A 中：e=3、next=7、e.next=null

線程 B 開始執行，並且完成瞭數據轉移。

此時，7 的 next 為 3，3 的 next 為 null。

隨後線程A獲得CPU時間片繼續執行 newTable[i] = e，將3放入新數組對應的位置，執行完此輪循環後線程A的情況如下：

執行下一輪循環，此時 e=7，原本線程 A 中 7 的 next 為 5，但由於 table 是線程 A 和線程 B 共享的，而線程 B 順利執行完後，7 的 next 變成瞭 3，那麼此時線程 A 中，7 的 next 也為 3 瞭。

采用頭部插入的方式，變成瞭下面這樣子：

好像也沒什麼問題，此時 next = 3，e = 3。

進行下一輪循環，但此時，由於線程 B 將 3 的 next 變為瞭 null，所以此輪循環應該是最後一輪瞭。

接下來當執行完 e.next=newTable[i] 即 3.next=7 後，3 和 7 之間就相互鏈接瞭，執行完 newTable[i]=e 後，3 被頭插法重新插入到鏈表中，執行結果如下圖所示：

套娃開始，元素 5 也就成瞭棄嬰，慘~~~

不過，JDK 8 時已經修復瞭這個問題，擴容時會保持鏈表原來的順序，參照HashMap 擴容機制的這一篇。

02、多線程下 put 會導致元素丟失

正常情況下，當發生哈希沖突時，HashMap 是這樣的：

但多線程同時執行 put 操作時，如果計算出來的索引位置是相同的，那會造成前一個 key 被後一個 key 覆蓋，從而導致元素的丟失。

put 的源碼：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

    // 步驟①：tab為空則創建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;

    // 步驟②：計算index，並對null做處理 
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;

        // 步驟③：節點key存在，直接覆蓋value
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;

        // 步驟④：判斷該鏈為紅黑樹
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

        // 步驟⑤：該鏈為鏈表
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);

                    //鏈表長度大於8轉換為紅黑樹進行處理
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }

                // key已經存在直接覆蓋value
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }

        // 步驟⑥、直接覆蓋
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;

    // 步驟⑦：超過最大容量 就擴容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

問題發生在步驟 ② 這裡：

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

兩個線程都執行瞭 if 語句，假設線程 A 先執行瞭 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是這樣的：

接著，線程 B 執行瞭 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是這樣的：

3 被幹掉瞭。

03、put 和 get 並發時會導致 get 到 null

線程 A 執行put時，因為元素個數超出閾值而出現擴容，線程B 此時執行get，有可能導致這個問題。

註意來看 resize 源碼：

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        // 超過最大值就不再擴充瞭，就隻好隨你碰撞去吧
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 沒超過最大值，就擴充為原來的2倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 計算新的resize上限
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
}

線程 A 執行完 table = newTab 之後，線程 B 中的 table 此時也發生瞭變化，此時去 get 的時候當然會 get 到 null 瞭，因為元素還沒有轉移。

這是《Java 程序員進階之路》專欄的第 58 篇，我們來聊瞭聊為什麼 HashMap 是線程不安全的。

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