你是否听说过 HashMap 在多线程环境下操作可能会导致程序死循环?

作者：炸鸡可乐
原文出处：www.pzblog.cn

一、问题描述

经常有些面试官会问，是否了解过 HashMap 在多线程环境下使用时可能会发生死循环，导致服务器 cpu 100% 的线上故障？

关于这个问题，很多年前，在淘宝内网里就有很多的程序员发过这种帖子说一个CPU 被100%了，原因竟是多线程环境下使用 HashMap 造成的死循环，并且这个事发生了很多次。

虽然 Java 官方明确表示，在多线程环境下不推荐使用 HashMap，但是对于这种问题，小编其实也比较意外，如果不是深入的去了解 HashMap，都不知道有这样的问题。

为什么会产生死循环呢？下面我们来还原一下问题的经过。

二、问题重现

在之前的集合系列文章中，我们了解到 HashMap 是一个哈希数组 + 链表的数据结构，在实际的程序开发中，我们经常会使用到 HashMap，如果对 HashMap 不是很了解，大家可以看小编之前写的《深入浅出分析 HashMap 》一文。

HashMap 是一个非线程安全的集合操作类，如果我们的程序操作是单线程的，那么一切都没问题。当我们的程序是多线程操作 HashMap 类时，那么问题就来了，我们一起来复现一下。

测试代码，如下：

使用了4个线程来向 HashMap 中添加元素，可能一次运行不一定有效果，可以反复运行几次！

控制台输出结果：

可以清晰的看到，在遍历 map 的内容时，已经死循环了！

再来看看，活动监视器，结果如下：

cpu 的使用率，直接接近 200%！

接下来我们去查看下 java 中刚刚运行的 HashThreadTest 类堆栈情况：

可以看到，HashMap 的扩容操作导致了死循环！

通过测试，我们发现 HashMap 在多线程环境下进行操作，的确会产生死循环，并且会导致 CPU 100%！

这是为什么呢？我们一起来阅读一下源码！

三、源码阅读

注意注意，小编在进行测试的时候，使用的是 JDK1.7 的版本！

如果你使用 JDK1.8 的版本，不好意思，不一定能复现这个问题！因为 JDK1.8 已经修复了这个问题，但是依然不建议在多线程环境下使用 HashMap！

我们继续来看看为什么使用 JDK1.7 会出现这个问题！

既然是 put 阶段造成的数据问题，我们不妨一起来看看 HashMap 的 put 过程！

3.1、HashMap 添加过程

HashMap 的 put 源码实现如下：

接着我们来看看addEntry()方法，将元素插入到数组中，并且检查容量是否超标，源码实现如下：

上面例子中，我们初始化的时候给定的容量是 2，所以在添加元素时必定会扩容！如果超出阀值，就进行扩容处理，创建一个更大容量的 hash 表，然后把从老的 Hash 表中迁移到新的 Hash 表中，源码如下：

将旧 hash 表中的元素复制到新的 hash 表中，源码如下：

整个 put 过程，大致可以分如下几个步骤：

第一步是通过 key 计算出来的 hash 和 equals 来判断元素是否存在，如果存在，直接覆盖；反之，插入；
第二步是将元素插入到 hash 表中，如果不同的元素都在一个 hash 数组下标下，就以链表的形式，采用头插法存储在 hash 节点下；
最后就是判断当前数组容量是否大于扩容阀值，如果大于，就进行扩容处理，然后将旧元素复制到新的数组中；

好了，这个过程基本上没啥问题。

我们再来演示一下扩容中重新计算元素 hash 的过程！

3.2、单线程下扩容元素 hash 过程

假设在单线程环境下，我们初始化的时候，给定的数组容量是2，分别添加3个元素，内容如下：

key=3，value=A;
key=4，value=B;
key=5，value=C;

源码如下：

添加完成之后，数组就会进行扩容处理，扩容后 hash 的容量为原来的2倍，扩容操作流程如下：

在单线程环境下，一切看起来都很正常，扩容过程也相当顺利。接下来我们看下并发情况下的扩容。

3.3、多线程扩容元素 hash 过程

假设我们有两个线程，来分别添加3个元素。

线程二执行完添加任务之后，在准备将旧元素迁移到新元素的时候，也就是准备 rehash 时，突然被 CPU 挂起，此时阻塞在如下图中的第57行，不再往下执行！而线程一继续执行直到扩容完成。

2个线程此时的执行结果，内容如下：

接着线程二被唤醒，继续回到第57行执行。

此时注意了，我们来详细的分析一下这个过程！

第一次循环过程如下：

第1步：此时 e 等于{key:3,value:A}，next=e.next={key:5,value:C}；
第2步：通过 key 重新 hash 计算得到下标 i = 3；
第3步：newTable为局部变量，内容都为null，所以 e.next = newTable[i]=null;
第4步：newTable[i]=e={key:3,value:A};
第5步：e=next={key:5,value:C};

循环结果如下，e={key:5,value:C}，满足while()循环条件，接着继续！

第二次循环过程如下：

第1步：此时 e 等于{key:5,value:C}，取最新的链表结构，next=e.next={key:3,value:A}；
第2步：通过 key 重新 hash 计算得到下标 i = 3；
第3步：在第一次循环中，newTable[i]已经插入值，所以 e.next = newTable[i]={key:3,value:A};
第4步：newTable[i]=e={key:5,value:C};
第5步：e=next={key:3,value:A};

循环结果如下，e={key:3,value:A}，满足while()循环条件，接着继续！

第三次循环过程如下：

第1步：此时 e 等于{key:3,value:A}，取最新的链表结构，next=e.next=null；
第2步：通过 key 重新 hash 计算得到下标 i = 3；
第3步：在第二次循环中，newTable[i]已经插入值，所以 e.next = newTable[i]={key:5,value:C};
第4步：newTable[i]=e={key:3,value:A};
第5步：e=next=null;

循环结果如下，e=null，while()程序不在循环！

综合线程1、线程2执行结果，最终 hashMap 的存储结果，如下图：

可以很清晰的看到，链表发生死循环了！

于是，当我们在遍历 hashMap 链表内容的时候，就会出现上文中问题复现的场景，死循环式的输出相同的内容，CPU 直接飙到200%了！

对于这种问题，当初有人上报到 SUN 公司，但是 SUN 不认为这是一个问题，因为 HashMap 本来就不支持并发操作！

所以，不建议在多线程环境下使用 HashMap，那如果要在多线程环境下使用 map 操作类，该怎么办呢？

四、解决办法

办法肯定是有的，如果大家想在多线程场景下使用 HashMap，有两种解决办法：

第一种，推荐使用并发包中的 ConcurrentHashMap 类，一种使用分段锁的 hashMap 类，在之后的文章中，咱们也会介绍到它。
另一种，是使用Collections.synchronizedMap(Mao<K,V> map)工具方法，将 HashMap 变成一个线程安全的 map，其实就是对 map 中的方法进行加锁处理，保证多线程下操作安全！

五、参考

1、JDK1.7&JDK1.8 源码

2、coolshell -陈皓 - JAVA HASHMAP的死循环