HashMap为什么不安全？

Question

如题所述

Answer 1

我们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        HashMapThread thread0 = new HashMapThread();        HashMapThread thread1 = new HashMapThread();        HashMapThread thread2 = new HashMapThread();        HashMapThread thread3 = new HashMapThread();        HashMapThread thread4 = new HashMapThread();        thread0.start();        thread1.start();        thread2.start();        thread3.start();        thread4.start();    }}class HashMapThread extends Thread {    private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();    private static Map map = new HashMap<>();    @Override    public void run() {        while (ai.get() < 1000000) {            map.put(ai.get(), ai.get());            ai.incrementAndGet();        }    }}

上述代码比较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。

在多运行几次该代码后，出现如下死循环情形：

其中有几次还会出现数组越界的情况：

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在transfer函数中，jdk1.7中HashMap的transfer函数如下：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {        int newCapacity = newTable.length;        for (Entry e : table) {            while(null != e) {                Entry next = e.next;                if (rehash) {                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);                }                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                e.next = newTable[i];                newTable[i] = e;                e = next;            }        }    }

总结下该函数的主要作用：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。

下面进行详细分析。

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件，这里假设：

hash算法为简单的用key mod链表的大小。

最开始hash表size=2，key=3,7,5，则都在table[1]中。

然后进行resize，使size变成4。

未resize前的数据结构如下：



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如果在单线程环境下，最后的结果如下：



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这里的转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下，假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第11行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。



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此时线程A中运行结果如下：



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线程A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：



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这里需要特别注意的点：由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此时切换到线程A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3e=next ----> e=7


此时结果如下：



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继续循环：

e=7next=e.next ----> next=3【从主存中取值】e.next=newTable[3] ----> e.next=3【从主存中取值】newTable[3]=e ----> newTable[3]=7e=next ----> e=3


结果如下：

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再次进行循环：

e=3next=e.next ----> next=nulle.next=newTable[3] ----> e.next=7 即：3.next=7newTable[3]=e ----> newTable[3]=3e=next ----> e=null


注意此次循环：e.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

结果如下：



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在后续操作中只要涉及轮询hashmap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。

1.2 扩容造成数据丢失分析过程

遵照上述分析过程，初始时：



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线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：



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此时线程A的运行结果如下：



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此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：



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同样注意由于线程B执行完成，newTable和table都为最新值：5.next=null。

此时切换到线程A，在线程A挂起时：e=7，next=5，newTable[3]=null。

执行newtable[i]=e，就将7放在了table[3]的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5next=e.next ----> next=null，从主存中取值e.next=newTable[1] ----> e.next=5，从主存中取值newTable[1]=e ----> newTable[1]=5e=next ----> e=null


将5放置在table[1]位置，此时e=null循环结束，3元素丢失，并形成环形链表。并在后续操作hashmap时造成死循环。



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2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全，这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,                   boolean evict) {        Node[] tab; Node p; int n, i;        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)            n = (tab = resize()).length;        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);        else {            Node e; K k;            if (p.hash == hash &&                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                e = p;            else if (p instanceof TreeNode)                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);            else {                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                    if ((e = p.next) == null) {                        p.next = newNode(hash, key, value, null);                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                            treeifyBin(tab, hash);                        break;                    }                    if (e.hash == hash &&                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                        break;                    p = e;                }            }            if (e != null) { // existing mapping for key                V oldValue = e.value;                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)                    e.value = value;                afterNodeAccess(e);                return oldValue;            }        }        ++modCount;        if (++size > threshold)            resize();        afterNodeInsertion(evict);        return null;    }


这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数， 注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。

如果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。

假设一种情况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给覆盖，发生线程不安全。

总结

首先HashMap是线程不安全的，其主要体现：

在jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。

在jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。

Answer 2

赌气呢，就是写给你看的。女孩子要给男孩点台阶下，下次再哄你，就别那么倔了。有机会给他点暗示吧，会回来找你的。

Answer 3

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

Answer 4

无论做什么事，都要先考虑自己是否能那个本事去挑大梁，所以不要高估了自己，也不要瞧不起别人。

Answer 5

HashMap之所以线程不安全，就是resize这里出的问题。
HashMap在put的时候，插入的元素超过了容量（由负载因子决定）的范围就会触发resize扩容操作，扩容操作中，在多线程的环境下，存在同时其他的元素也在进行扩容过程的put操作，可能会导致 原来的链表形成一个循环链表， 然后进行get操作时 就可能引起死循环（cpu100%）
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