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多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

Java的HashMap是非線程安全的,多線程下應該用ConcurrentHashMap。

多線程下[HashMap]的問題(這裡主要說死循環問題):

多線程put操作後,get操作導緻死循環。

多線程put非NULL元素後,get操作得到NULL值。

多線程put操作,導緻元素丢失。

1、為何出現死循環?

在多線程下使用非線程安全的HashMap,單線程根本不會出現。

HashMap是采用連結清單解決Hash沖突,因為是連結清單結構,那麼就很容易形成閉合的鍊路,這樣在循環的時候隻要有線程對這個HashMap進行get操作就會産生死循環。

在單線程情況下,隻有一個線程對HashMap的資料結構進行操作,是不可能産生閉合的回路的。

那就隻有在多線程并發的情況下才會出現這種情況,那就是在put操作的時候,如果size>initialCapacity*loadFactor,那麼這時候HashMap就會進行rehash操作,随之HashMap的結構就會發生翻天覆地的變化。很有可能就是在兩個線程在這個時候同時觸發了rehash操作,産生了閉合的回路。

2、如何産生的?

存儲資料put():

public V put(K key, V value)
 {
  ......
  //算Hash值
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  //如果該key已被插入,則替換掉舊的value (連結操作)
  for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
    V oldValue = e.value;
    e.value = value;
    e.recordAccess(this);
    return oldValue;
   }
  }
  modCount++;
  //該key不存在,需要增加一個結點
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }      

當我們往HashMap中put元素的時候,先根據key的hash值得到這個元素在數組中的位置(即下标),然後就可以把這個元素放到對應的位置中了。

如果這個元素所在的位置上已經存放有其他元素了,那麼在同一個位子上的元素将以連結清單的形式存放,新加入的元素放在鍊頭,而先前加入的放在鍊尾。

檢查容量是否超标addEntry:

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
 {
  Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
  //檢視目前的size是否超過了我們設定的門檻值threshold,如果超過,需要resize
  if (size++ >= threshold)
   resize(2 * table.length);
 }      

如果現在size已經超過了threshold,那麼就要進行resize操作,建立一個更大尺寸的hash表,然後把資料從老的Hash表中遷移到新的Hash表中。

調整Hash表大小resize:

void resize(int newCapacity)
 {
  Entry[] oldTable = table;
  int oldCapacity = oldTable.length;
  ......
  //建立一個新的Hash Table
  Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
  //将Old Hash Table上的資料遷移到New Hash Table上
  transfer(newTable);
  table = newTable;
  threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
 }      

當table[]數組容量較小,容易産生哈希碰撞,是以,Hash表的尺寸和容量非常的重要。

一般來說,Hash表這個容器當有資料要插入時,都會檢查容量有沒有超過設定的thredhold,如果超過,需要增大Hash表的尺寸,這個過程稱為resize。

多個線程同時往HashMap添加新元素時,多次resize會有一定機率出現死循環,因為每次resize需要把舊的資料映射到新的哈希表,這一部分代碼在HashMap#transfer() 方法,如下:

void transfer(Entry[] newTable)
 {
  Entry[] src = table;
  int newCapacity = newTable.length;
  //下面這段代碼的意思是:
  //  從OldTable裡摘一個元素出來,然後放到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;//取出第一個元素
     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
     e.next = newTable[i];
     newTable[i] = e;
     e = next;
    } while (e != null);
   }
  }
 }      

标紅代碼是導緻多線程使用hashmap出現CUP使用率驟增,出現死循環,進而多個線程阻塞的罪魁禍首。另外推薦:Java進階視訊資源

3、圖解HashMap死循環:

正常的ReHash的過程(單線程):假設了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小(也就是數組的長度)。

最上面的是old hash 表,其中的Hash表的size=2, 是以key = 3, 7, 5,在mod 2以後都沖突在table[1]這裡了。接下來的三個步驟是Hash表 resize成4,然後所有的 重新rehash的過程。

多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

并發下的Rehash(多線程)

1)假設我們有兩個線程。

do {
  Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這裡就被排程挂起了,執行其他操作
  int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
  e.next = newTable[i];
  newTable[i] = e;
  e = next;
 } while (e != null);      

而我們的線程二執行完成了。于是我們有下面的這個樣子:

多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

注意,因為Thread1的 e 指向了key(3),而next指向了key(7),其線上程二rehash後,指向了線程二重組後的連結清單。我們可以看到連結清單的順序被反轉後。在這裡線程一變成了操作經過線程二操作後的HashMap。另外,多線程系列面試題和答案全部整理好了,微信搜尋Java技術棧,在背景發送:面試,可以線上閱讀。

2)線程一被排程回來執行。

先是執行 newTalbe[i] = e;

然後是e = next,導緻了e指向了key(7),

而下一次循環的next = e.next導緻了next指向了key(3)。

多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

3)一切安好。

線程一接着工作。把key(7)摘下來,放到newTable[i]的第一個,然後把e和next往下移。這個元素所在的位置上已經存放有其他元素了,那麼在同一個位子上的元素将以連結清單的形式存放,新加入的放在鍊頭,而先前加入的放在鍊尾。

多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

4)環形連結出現。

e.next = newTable[i] 導緻 key(3).next 指向了 key(7)。

注意:此時的key(7).next 已經指向了key(3), 環形連結清單就這樣出現了。

多線程環境下,HashMap 為什麼會出現死循環?

于是,當我們的線程一調用到,HashTable.get(11)時,悲劇就出現了——Infinite Loop。

這裡介紹了在多線程下為什麼HashMap會出現死循環,不過在真實的生産環境下,不會使用線程不安全的HashMap的。

原文連結:

https://blog.csdn.net/dingjianmin/article/details/79780350

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