Java并发基础08. 造成HashMap非线程安全的原因

在前面我的一篇总结（6. 线程范围内共享数据）文章中提到，为了数据能在线程范围内使用，我用了 HashMap 来存储不同线程中的数据，key 为当前线程，value 为当前线程中的数据。我取的时候根据当前线程名从 HashMap 中取即可。

因为当初学习 HashMap 和 HashTable 源码的时候，知道 HashTable 是线程安全的，因为里面的方法使用了 synchronized 进行同步，但是 HashMap 没有，所以 HashMap 是非线程安全的。

在上面提到的例子中，我想反正不用修改 HashMap，只需要从中取值即可，所以不会有线程安全问题，但是我忽略了一个步骤：我得先把不同线程的数据存到 HashMap 中吧，这个存就可能出现问题，虽然我存的时候 key 使用了不同的线程名字，理论上来说是不会冲突的，但是这种设计或者思想本来就不够严谨。我后来仔细推敲了下，重新温习了下 HashMap 的源码，再加上网上查的一些资料，在这里总结一下 HashMap 到底什么时候可能出现线程安全问题。

我们知道 HashMap 底层是一个 Entry 数组，当发生 hash 冲突的时候，HashMap 是采用链表的方式来解决的，在对应的数组位置存放链表的头结点。对链表而言，新加入的节点会从头结点加入。javadoc 中有一段关于 HashMap 的描述：

此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个哈希映射，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则它必须保持外部同步。（结构上的修改是指添加或删除一个或多个映射关系的任何操作；仅改变与实例已经包含的键关联的值不是结构上的修改。）这一般通过对自然封装该映射的对象进行同步操作来完成。如果不存在这样的对象，则应该使用 Collections.synchronizedMap 方法来“包装”该映射。最好在创建时完成这一操作，以防止对映射进行意外的非同步访问，如下所示：

Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));

可以看出，解决 HashMap 线程安全问题的方法很简单，下面我简单分析一下可能会出现线程问题的一些地方。

1. 向HashMap中插入数据的时候

在 HashMap 做 put 操作的时候会调用到以下的方法：

//向HashMap中添加Entry
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
	if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
		resize(2 * table.length); //扩容2倍
		hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
		bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
	}

	createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
//创建一个Entry
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
	Entry<K,V> e = table[bucketIndex];//先把table中该位置原来的Entry保存
	//在table中该位置新建一个Entry，将原来的Entry挂到该Entry的next
	table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
	//所以table中的每个位置永远只保存一个最新加进来的Entry，其他Entry是一个挂一个，这样挂上去的
	size++;
}

现在假如 A 线程和 B 线程同时进入 addEntry，然后计算出了相同的哈希值对应了相同的数组位置，因为此时该位置还没数据，然后对同一个数组位置调用 createEntry，两个线程会同时得到现在的头结点，然后 A 写入新的头结点之后，B 也写入新的头结点，那 B 的写入操作就会覆盖A的写入操作造成 A 的写入操作丢失。

2. HashMap扩容的时候

还是上面那个 addEntry 方法中，有个扩容的操作，这个操作会新生成一个新的容量的数组，然后对原数组的所有键值对重新进行计算和写入新的数组，之后指向新生成的数组。来看一下扩容的源码：

//用新的容量来给table扩容
void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table; //保存old table
    int oldCapacity = oldTable.length; //保存old capacity
    // 如果旧的容量已经是系统默认最大容量了，那么将阈值设置成整形的最大值，退出
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }  

    //根据新的容量新建一个table
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    //将table转换成newTable
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    //设置阈值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

那么问题来了，当多个线程同时进来，检测到总数量超过门限值的时候就会同时调用 resize操作，各自生成新的数组并 rehash 后赋给该 map 底层的数组 table，结果最终只有最后一个线程生成的新数组被赋给 table 变量，其他线程的均会丢失。而且当某些线程已经完成赋值而其他线程刚开始的时候，就会用已经被赋值的 table 作为原始数组，这样也会有问题。所以在扩容操作的时候也有可能会引起一些并发的问题。

3. 删除HashMap中数据的时候

删除键值对的源代码如下：

//根据指定的key删除Entry，返回对应的value
public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}  

//根据指定的key，删除Entry,并返回对应的value
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    Entry<K,V> prev = table[i];
    Entry<K,V> e = prev;  

    while (e != null) {
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
            modCount++;
            size--;
            if (prev == e) //如果删除的是table中的第一项的引用
                table[i] = next;//直接将第一项中的next的引用存入table[i]中
            else
                prev.next = next; //否则将table[i]中当前Entry的前一个Entry中的next置为当前Entry的next
            e.recordRemoval(this);
            return e;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }  

    return e;
}

删除这一块可能会出现两种线程安全问题，第一种是一个线程判断得到了指定的数组位置i并进入了循环，此时，另一个线程也在同样的位置已经删掉了i位置的那个数据了，然后第一个线程那边就没了。但是删除的话，没了倒问题不大。

再看另一种情况，当多个线程同时操作同一个数组位置的时候，也都会先取得现在状态下该位置存储的头结点，然后各自去进行计算操作，之后再把结果写会到该数组位置去，其实写回的时候可能其他的线程已经就把这个位置给修改过了，就会覆盖其他线程的修改。

其他地方还有很多可能会出现线程安全问题，我就不一一列举了，总之 HashMap 是非线程安全的，在高并发的场合使用的话，要用 Collections.synchronizedMap 进行包装一下，或者直接使用 ConcurrentHashMap 都行。

关于 HashMap 的线程非安全性，就总结这么多，如有问题，欢迎交流，我们一同进步~