你知道HashMap在高并发下可能会出现哪些问题吗

我们都知道，HashMap在并发环境下使用可能出现问题，但是具体表现，以及为什么出现并发问题， 可能并不是所有人都了解，这篇文章记录一下HashMap在多线程环境下可能出现的问题以及如何避免。

在分析HashMap的并发问题前，先简单了解HashMap的put和get基本操作是如何实现的。

1.HashMap的put和get操作

大家知道HashMap内部实现是通过拉链法解决哈希冲突的，也就是通过链表的结构保存散列到同一数组位置的两个值，

put操作主要是判空，对key的hashcode执行一次HashMap自己的哈希函数，得到bucketindex位置，还有对重复key的覆盖操作。

对照源码分析一下具体的put操作是如何完成的：

涉及到的几个方法：

static int hash(int h) {
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

数据put完成以后，就是如何get，我们看一下get函数中的操作：

看一下链表的结点数据结构，保存了四个字段，包括key，value，key对应的hash值以及链表的下一个节点：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
   final K key;//Key-value结构的key
   V value;//存储值
   Entry<K,V> next;//指向下一个链表节点
   final int hash;//哈希值
 }

2.Rehash/再散列扩展内部数组长度

哈希表结构是结合了数组和链表的优点，在最好情况下，查找和插入都维持了一个较小的时间复杂度O(1)， 不过结合HashMap的实现，考虑下面的情况，如果内部Entry[] tablet的容量很小，或者直接极端化为table长度为1的场景，那么全部的数据元素都会产生碰撞， 这时候的哈希表成为一条单链表，查找和添加的时间复杂度变为O(N)，失去了哈希表的意义。 所以哈希表的操作中，内部数组的大小非常重要，必须保持一个平衡的数字，使得哈希碰撞不会太频繁，同时占用空间不会过大。

这就需要在哈希表使用的过程中不断的对table容量进行调整，看一下put操作中的addEntry()方法：

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);
   if (size++ >= threshold)
     resize(2 * table.length);
 }

这里面resize的过程，就是再散列调整table大小的过程，默认是当前table容量的两倍。

void resize(int newCapacity) {
   Entry[] oldTable = table;
   int oldCapacity = oldTable.length;
   if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
       threshold = Integer.MAX_VALUE;
       return;
   }

   Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
   //初始化一个大小为oldTable容量两倍的新数组newTable
   transfer(newTable);
   table = newTable;
   threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

关键的一步操作是transfer(newTable)，这个操作会把当前Entry[] table数组的全部元素转移到新的table中， 这个transfer的过程在并发环境下会发生错误，导致数组链表中的链表形成循环链表，在后面的get操作时e = e.next操作无限循环，Infinite Loop出现。

下面具体分析HashMap的并发问题的表现以及如何出现的。

3.HashMap在多线程put后可能导致get无限循环

HashMap在并发环境下多线程put后可能导致get死循环，具体表现为CPU使用率100%， 看一下transfer的过程：

这里引用酷壳陈皓的博文：

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：

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(11)时，悲剧就出现了——Infinite Loop。

针对上面的分析模拟这个例子，

这里在run中执行了一个自增操作，i++非原子操作，使用AtomicInteger避免可能出现的问题：

public static void main(String[] args){
     MapThread t0 = new MapThread();
     MapThread t1 = new MapThread();
     // 省略 t2-t9
     t0.start();
     t1.start();
     // 省略 t2-t9
}

注意并发问题并不是一定会产生，可以多执行几次，

我试验了上面的代码很容易产生无限循环，控制台不能终止，有线程始终在执行中，

这是其中一个死循环的控制台截图，可以看到六个线程顺利完成了put工作后销毁，还有四个线程没有输出，卡在了put阶段，感兴趣的可以断点进去看一下：

上面的代码，如果把注释打开，换用ConcurrentHashMap就不会出现类似的问题。

4.多线程put的时候可能导致元素丢失

HashMap另外一个并发可能出现的问题是，可能产生元素丢失的现象。

考虑在多线程下put操作时，执行addEntry(hash, key, value, i)，如果有产生哈希碰撞， 导致两个线程得到同样的bucketIndex去存储，就可能会出现覆盖丢失的情况：

5.使用线程安全的哈希表容器

那么如何使用线程安全的哈希表结构呢，这里列出了几条建议：

使用Hashtable 类，Hashtable 是线程安全的； 使用并发包下的java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap实现了更高级的线程安全； 或者使用synchronizedMap() 同步方法包装 HashMap object，得到线程安全的Map，并在此Map上进行操作

参考
http://coolshell.cn/articles/9606.html
https://www.cnblogs.com/binyue/p/3726403.html