Java基础：HashMap假死锁问题的测试、分析和总结

前言

　　前两天在公司的内部博客看到一个同事分享的线上服务挂掉CPU100%的文章，让我联想到HashMap在不恰当使用情况下的死循环问题，这里做个整理和总结，也顺便复习下HashMap。

直接上测试代码

　　由于机器配置和性能不同，测试出效果的线程数和put数量也各不相同

public class HashMapInfiniteLoopTest {
    /**
     * 基于JDK1.7测试HashMap在多线程环境下假死锁的情况
     * JDK1.8的HashMap实现跟1.7比较已经有很大的变化，已不存在这样的问题
     * （其实这本来不是JDK的一个问题，HashMap本就不是线程安全的，多线程环境下共享一定要用线程安全的Map容器）
     */
    public static void main(String[] args) {
        String jdkVer = System.getProperty("java.version"); //JDK版本
        String jdkMod = System.getProperty("sun.arch.data.model"); //32位还是64位
        System.out.println(jdkVer +"#"+ jdkMod);

        final Map<String, String> map = new HashMap<>();
//        final Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        for(int i=0; i<30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    for(int j=0; j<1000; j++) {
                        map.put(""+j+"_"+System.currentTimeMillis(), ""+j+"_"+System.currentTimeMillis());
                    }
                }
            }, "myThread_"+i).start();
        }
    }
}

　　通过jconsole查看Java进程情况：

　　最后只能强制结束进程

 

分析

　　HashMap使用hash表来作为其底层存储的数据结构（数组下标实现快速索引，链表实现元素碰撞处理），并且支持动态扩容，主要通过resize方法实现，也是从这个方法开始出问题的。（这里有两个面试官喜欢问的点:1.table的默认长度以及扩容前后大小？2.为什么要求table的长度必须是2的N次方？）

　　因为整个HashMap都不是线程安全的，所以JDK也未对resize方法做同步，如果错误的在多线程环境下共享访问了HashMap就有可能引起我前面提到的假死锁问题。动态扩容的时候需要把旧的链表迁移到新的hash表中，如果是在多线程环境下，可能会形成循环链表，在再次put遍历每个链表检查是否存在相同key时，死循环就出现了（如果是get也会有同样的情况）。

下面是我整理转载自https://coolshell.cn/articles/9606.html的部分内容（写得太好了）：

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void resize(int newCapacity) {     Entry[] oldTable = table;     int oldCapacity = oldTable.length;     ......     //创建一个新的Hash Table     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];     //将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上     transfer(newTable);     table = newTable;     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); }

迁移的源代码，注意高亮处：

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void transfer(Entry[] newTable) {     Entry[] src = table;     int newCapacity = newTable.length;     //下面这段代码的意思是：     //  从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中     for (int j = 0; j < src.length; j++) {         Entry<K,V> e = src[j];         if (e != null) {             src[j] = null;             do {                 Entry<K,V> next = e.next;                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                 e.next = newTable[i];                 newTable[i] = e;                 e = next;             } while (e != null);         }     } }

• 假设我们的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：

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do {     Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);     e.next = newTable[i];     newTable[i] = e;     e = next; } 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。

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(7)时，悲剧就出现了——Infinite Loop。

总结

　　多线程并发环境下访问共享的map时一定要用线程安全的Map容器，如ConcurrentHashMap，HashTable等。