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都說(shuō)HashMap是線程不安全的，到底體現(xiàn)在哪兒？

 前言：我們都知道HashMap是線程不安全的，在多線程環(huán)境中不建議使用，但是其線程不安全主要體現(xiàn)在什么地方呢，本文將對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解密。

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1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中對(duì)HashMap做了很多優(yōu)化，這里先分析在jdk1.7中的問(wèn)題，相信大家都知道在jdk1.7多線程環(huán)境下HashMap容易出現(xiàn)死循環(huán)，這里我們先用代碼來(lái)模擬出現(xiàn)死循環(huán)的情況：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. public class HashMapTest {  
    2.   
  
  
  
  2.     public static void main(String[] args) {  
    3.   
  
  
  
  3.         HashMapThread thread0 = new HashMapThread();  
    4.   
  
  
  
  4.         HashMapThread thread1 = new HashMapThread();  
    5.   
  
  
  
  5.         HashMapThread thread2 = new HashMapThread();  
    6.   
  
  
  
  6.         HashMapThread thread3 = new HashMapThread();  
    7.   
  
  
  
  7.         HashMapThread thread4 = new HashMapThread();  
    8.   
  
  
  
  8.         thread0.start();  
    9.   
  
  
  
  9.         thread1.start();  
    10.   
  
  
  
  10.         thread2.start();  
    11.   
  
  
  
  11.         thread3.start();  
    12.   
  
  
  
  12.         thread4.start();  
    13.   
  
  
  
  13.     }  
    14.   
  
  
  
  14. }  
    15.   
  
  
  
  15. class HashMapThread extends Thread {  
    16.   
  
  
  
  16.     private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();  
    17.   
  
  
  
  17.     private static Map map = new HashMap<>();  
    18.   
  
  
  
  18.     @Override  
    19.   
  
  
  
  19.     public void run() {  
    20.   
  
  
  
  20.         while (ai.get() < 1000000) {  
    21.   
  
  
  
  21.             map.put(ai.get(), ai.get());  
    22.   
  
  
  
  22.             ai.incrementAndGet();  
    23.   
  
  
  
  23.         }  
    24.   
  
  
  
  24.     }  
    25.   
  
  
  
  25. } 
    26.

上述代碼比較簡(jiǎn)單，就是開(kāi)多個(gè)線程不斷進(jìn)行put操作，并且HashMap與AtomicInteger都是全局共享的。在多運(yùn)行幾次該代碼后，出現(xiàn)如下死循環(huán)情形：

其中有幾次還會(huì)出現(xiàn)數(shù)組越界的情況：

這里我們著重分析為什么會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)的情況，通過(guò)jps和jstack命名查看死循環(huán)情況，結(jié)果如下：

從堆棧信息中可以看到出現(xiàn)死循環(huán)的位置，通過(guò)該信息可明確知道死循環(huán)發(fā)生在HashMap的擴(kuò)容函數(shù)中，根源在transfer函數(shù)中，jdk1.7中HashMap的transfer函數(shù)如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {  
    2.   
  
  
  
  2.         int newCapacity = newTable.length;  
    3.   
  
  
  
  3.         for (Entry e : table) {  
    4.   
  
  
  
  4.             while(null != e) {  
    5.   
  
  
  
  5.                 Entry next = e.next;  
    6.   
  
  
  
  6.                 if (rehash) {  
    7.   
  
  
  
  7.                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);  
    8.   
  
  
  
  8.                 }  
    9.   
  
  
  
  9.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
    10.   
  
  
  
  10.                 e.next = newTable[i];  
    11.   
  
  
  
  11.                 newTable[i] = e;  
    12.   
  
  
  
  12.                 e = next;  
    13.   
  
  
  
  13.             }  
    14.   
  
  
  
  14.         } 
    15.   
  
  
  
  15.     } 
    16.

總結(jié)下該函數(shù)的主要作用：

在對(duì)table進(jìn)行擴(kuò)容到newTable后，需要將原來(lái)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到newTable中，注意10-12行代碼，這里可以看出在轉(zhuǎn)移元素的過(guò)程中，使用的是頭插法，也就是鏈表的順序會(huì)翻轉(zhuǎn)，這里也是形成死循環(huán)的關(guān)鍵點(diǎn)。下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 擴(kuò)容造成死循環(huán)分析過(guò)程

前提條件：

這里假設(shè)

  1.  hash算法為簡(jiǎn)單的用key mod鏈表的大小。
  2.  最開(kāi)始hash表size=2，key=3,7,5，則都在table[1]中。
  3.  然后進(jìn)行resize，使size變成4。

未resize前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

如果在單線程環(huán)境下，最后的結(jié)果如下：

這里的轉(zhuǎn)移過(guò)程，不再進(jìn)行詳述，只要理解transfer函數(shù)在做什么，其轉(zhuǎn)移過(guò)程以及如何對(duì)鏈表進(jìn)行反轉(zhuǎn)應(yīng)該不難。

然后在多線程環(huán)境下，假設(shè)有兩個(gè)線程A和B都在進(jìn)行put操作。線程A在執(zhí)行到transfer函數(shù)中第11行代碼處掛起，因?yàn)樵摵瘮?shù)在這里分析的地位非常重要，因此再次貼出來(lái)。

此時(shí)線程A中運(yùn)行結(jié)果如下：

線程A掛起后，此時(shí)線程B正常執(zhí)行，并完成resize操作，結(jié)果如下：

這里需要特別注意的點(diǎn)：由于線程B已經(jīng)執(zhí)行完畢，根據(jù)Java內(nèi)存模型，現(xiàn)在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此時(shí)切換到線程A上，在線程A掛起時(shí)內(nèi)存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代碼執(zhí)行過(guò)程如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. newTable[3]=e ----> newTable[3]=3  
    2.   
  
  
  
  2. e=next ----> e=7 
    3.

此時(shí)結(jié)果如下：

繼續(xù)循環(huán)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=7  
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=3【從主存中取值】  
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[3] ----> e.next=3【從主存中取值】  
    4.   
  
  
  
  4. newTable[3]=e ----> newTable[3]=7  
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=3 
    6.

結(jié)果如下：

再次進(jìn)行循環(huán)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=3  
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=null  
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[3] ----> e.next=7 即：3.next=7  
    4.   
  
  
  
  4. newTable[3]=e ----> newTable[3]=3  
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=null 
    6.

注意此次循環(huán)：e.next=7，而在上次循環(huán)中7.next=3，出現(xiàn)環(huán)形鏈表，并且此時(shí)e=null循環(huán)結(jié)束。

結(jié)果如下：

在后續(xù)操作中只要涉及輪詢(xún)hashmap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就會(huì)在這里發(fā)生死循環(huán)，造成悲劇。

1.2 擴(kuò)容造成數(shù)據(jù)丟失分析過(guò)程

遵照上述分析過(guò)程，初始時(shí)：

線程A和線程B進(jìn)行put操作，同樣線程A掛起：

此時(shí)線程A的運(yùn)行結(jié)果如下：

此時(shí)線程B已獲得CPU時(shí)間片，并完成resize操作：

同樣注意由于線程B執(zhí)行完成，newTable和table都為最新值：5.next=null。

此時(shí)切換到線程A，在線程A掛起時(shí)：e=7，next=5，newTable[3]=null。

執(zhí)行newtable[i]=e，就將7放在了table[3]的位置，此時(shí)next=5。接著進(jìn)行下一次循環(huán)：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. e=5  
    2.   
  
  
  
  2. next=e.next ----> next=null，從主存中取值  
    3.   
  
  
  
  3. e.next=newTable[1] ----> e.next=5，從主存中取值  
    4.   
  
  
  
  4. newTable[1]=e ----> newTable[1]=5  
    5.   
  
  
  
  5. e=next ----> e=null 
    6.

將5放置在table[1]位置，此時(shí)e=null循環(huán)結(jié)束，3元素丟失，并形成環(huán)形鏈表。并在后續(xù)操作hashmap時(shí)造成死循環(huán)。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中對(duì)HashMap進(jìn)行了優(yōu)化，在發(fā)生hash碰撞，不再采用頭插法方式，而是直接插入鏈表尾部，因此不會(huì)出現(xiàn)環(huán)形鏈表的情況，但是在多線程的情況下仍然不安全，這里我們看jdk1.8中HashMap的put操作源碼：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,  
    2.   
  
  
  
  2.                    boolean evict) {  
    3.   
  
  
  
  3.         Node[] tab; Node p; int n, i;  
    4.   
  
  
  
  4.         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  
    5.   
  
  
  
  5.             n = (tab = resize()).length;  
    6.   
  
  
  
  6.         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果沒(méi)有hash碰撞則直接插入元素  
    7.   
  
  
  
  7.             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  
    8.   
  
  
  
  8.         else {  
    9.   
  
  
  
  9.             Node e; K k;  
    10.   
  
  
  
  10.             if (p.hash == hash &&  
    11.   
  
  
  
  11.                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
    12.   
  
  
  
  12.                 e = p;  
    13.   
  
  
  
  13.             else if (p instanceof TreeNode)  
    14.   
  
  
  
  14.                 e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);  
    15.   
  
  
  
  15.             else {  
    16.   
  
  
  
  16.                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  
    17.   
  
  
  
  17.                     if ((e = p.next) == null) {  
    18.   
  
  
  
  18.                         p.next = newNode(hash, key, value, null);  
    19.   
  
  
  
  19.                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
    20.   
  
  
  
  20.                             treeifyBin(tab, hash);  
    21.   
  
  
  
  21.                         break;  
    22.   
  
  
  
  22.                     }  
    23.   
  
  
  
  23.                     if (e.hash == hash &&  
    24.   
  
  
  
  24.                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
    25.   
  
  
  
  25.                         break;  
    26.   
  
  
  
  26.                     p = e;  
    27.   
  
  
  
  27.                 }  
    28.   
  
  
  
  28.             }  
    29.   
  
  
  
  29.             if (e != null) { // existing mapping for key  
    30.   
  
  
  
  30.                 V oldValue = e.value;  
    31.   
  
  
  
  31.                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)  
    32.   
  
  
  
  32.                     e.value = value;  
    33.   
  
  
  
  33.                 afterNodeAccess(e);  
    34.   
  
  
  
  34.                 return oldValue;  
    35.   
  
  
  
  35.             }  
    36.   
  
  
  
  36.         }  
    37.   
  
  
  
  37.         ++modCount;  
    38.   
  
  
  
  38.         if (++size > threshold)  
    39.   
  
  
  
  39.             resize();  
    40.   
  
  
  
  40.         afterNodeInsertion(evict);  
    41.   
  
  
  
  41.         return null;  
    42.   
  
  
  
  42.     } 
    43.

這是jdk1.8中HashMap中put操作的主函數(shù)， 注意第6行代碼，如果沒(méi)有hash碰撞則會(huì)直接插入元素。如果線程A和線程B同時(shí)進(jìn)行put操作，剛好這兩條不同的數(shù)據(jù)hash值一樣，并且該位置數(shù)據(jù)為null，所以這線程A、B都會(huì)進(jìn)入第6行代碼中。

假設(shè)一種情況，線程A進(jìn)入后還未進(jìn)行數(shù)據(jù)插入時(shí)掛起，而線程b正常執(zhí)行，從而正常插入數(shù)據(jù)，然后線程a獲取cpu時(shí)間片，此時(shí)線程A不用再進(jìn)行hash判斷了，問(wèn)題出現(xiàn)：線程A會(huì)把線程B插入的數(shù)據(jù)給覆蓋，發(fā)生線程不安全。

這里只是簡(jiǎn)要分析下jdk1.8中HashMap出現(xiàn)的線程不安全問(wèn)題的體現(xiàn)，后續(xù)將會(huì)對(duì)java的集合框架進(jìn)行總結(jié)，到時(shí)再進(jìn)行具體分析。

總結(jié)

首先HashMap是線程不安全的，其主要體現(xiàn)：

  1.  在jdk1.7中，在多線程環(huán)境下，擴(kuò)容時(shí)會(huì)造成環(huán)形鏈或數(shù)據(jù)丟失。
  2.  在jdk1.8中，在多線程環(huán)境下，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋的情況。 

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