hashmap线程不安全问题_为什么HashMap线程不安全

全栈程序员站长

发布于 2022-11-10 15:57:43

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HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面： 1.在JDK1.7中，当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。 2.在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。

JDK1.7

在JDK1.7中，扩容数据时要进行把原数据迁移到新的位置，使用的方法：

//数据迁移的方法，头插法添加元素
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { 

int newCapacity = newTable.length;
　　　　　//for循环中的代码，逐个遍历链表，重新计算索引位置，将老数组数据复制到新数组中去（数组不存储实际数据，所以仅仅是拷贝引用而已）
for (Entry<K,V> e : table) { 

while(null != e) { 

Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) { 

e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
//将当前entry的next链指向新的索引位置,newTable[i]有可能为空，有可能也是个entry链，如果是entry链，直接在链表头部插入。
//以下三行是线程不安全的关键
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}

这段代码是HashMap在JDK1.7的扩容操作，重新定位每个桶的下标，并采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转，这也是形成死循环的关键点。

将关键的几行代码提取出：

for (Entry<K,V> e : table) { 

while(null != e) { 

Entry<K,V> next = e.next;
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}

假设有两个线程，每个线程都有一个e指针和next指针，线程1的为e1和next1，线程2的为e2，next2。

假设线程1执行到 Entry<K,V> next = e.next 后，线程被挂起，此时e1指向10，next1 指向 6。

接着线程2开始执行，和线程1一样，先执行 Entry<K,V> next = e.next;将e2执向10，将next2指向6：

然后执行e.next = newTable[i]; 因为newTable[i]此时为null，所以e2.next为null，也就是让10指向空。执行newTable[i] = e;将10复制到newTable[i]当中:

执行e = next;执行前e2指向的是10，next2执向的是6，执行后e2指向了6。

执行到此线程2的第一轮循环结束，开始第二轮执行：

for (Entry<K,V> e : table) { 

while(null != e) { 

Entry<K,V> next = e.next;
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}

执行Entry<K,V> next = e.next; e就是e2喽，此时指向的是6,那么e.next就是null，意思就是让next2为null：

然后执行e.next = newTable[i]; 因为Table[i]此时已经有了值为10，e2指向6，所以执行后e2.next指向了新表中的10。

执行newTable[i] = e;将6复制到newTable[i]当中,假如6在新表中的位置和10一样的话，执行这一步的结果就是：

执行e = next;将e2指向null。执行前next2是为空的，执行后e2也就为空：

线程2执行完毕。线程1继续执行，之前是执行到了：Entry<K,V> next = e.next; 此时e1执向的还是10，next1指向的是6,。

for (Entry<K,V> e : table) { 

while(null != e) { 

Entry<K,V> next = e.next;
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}

接下来线程1执行e.next = newTable[i]; 线程1的newTable[i]此时为空：

执行newTable[i] = e; 就是将10这个节点放入到新数组：

执行e = next; 执行前next1指向的是6，e1执行的是10，执行后，e1指向了6：

线程1第一轮循环执行结束，开始执行第二轮循环：

	   Entry<K,V> next = e.next;
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;

执行Entry<K,V> next = e.next; 执行前e1指向的是6，e1.next指向的是10，next1指向的也是6，此时就是让next1指向10：

继续执行e.next = newTable[i]; 此时newTable[i]已经是10，e1是6，e.next本来就是指向10，执行前后结果并没有发生变化。

执行newTable[i] = e; e1指向的是6，把6复制到新的数组当中：

执行e = next;``next1执行前指向的是10，将e1指向10：

第二轮循环执行结束，开始第三轮循环。执行Entry<K,V> next = e.next;，e1原本指向的10，e1.next就是null，执行后next1指向null：

执行e.next = newTable[i]; newTable[i]本来是6，e1执行的是10，e1.next本来是null，执行结束后就是让10指向了6：

此时环路形成了，陷入了死循环

JDK1.8

对于JDK1.8当中，添加元素使用尾插法。如果对应角标是单向链表，将单向链表进行迁移，如果是红黑树，将双向链表进行数据迁移。看一下下面这段JDK1.8中的put操作代码：

 1 public V put(K key, V value) { 

2     // 对key的hashCode()做hash
3     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
4 }
5 
6 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
7                boolean evict) { 

8     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
9     // 步骤①：table为空则创建，触发resize方法
10     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
11         n = (tab = resize()).length;
12     // 步骤②：计算index，并对null做处理 
13     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 
14         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
15     else { 

16         Node<K,V> e; K k;
17         // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value
18         if (p.hash == hash &&
19             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
20             e = p;
21         // 步骤④：判断该链为红黑树
22         else if (p instanceof TreeNode)
23             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
24         // 步骤⑤：该链为链表
25         else { 

26             for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 

27                 if ((e = p.next) == null) { 

//对于计算出的存储位置下标已经有数据，也就是冲突，转成链表存到下一位
28                     p.next = newNode(hash, key,value,null);  
//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
29                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 
30                         treeifyBin(tab, hash);
31                     break;
32                 }
// key已经存在直接覆盖value
33                 if (e.hash == hash &&
34                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
35                            break;
36                 p = e;
37             }
38         }
39         
40         if (e != null) { 
 // existing mapping for key
41             V oldValue = e.value;
42             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
43                 e.value = value;
44             afterNodeAccess(e);
45             return oldValue;
46         }
47     }
48     ++modCount;
49     // 步骤⑥：超过最大容量就扩容，门限原本是初始容量*0.75
50     if (++size > threshold)
51         resize(); //扩原来的2倍
52     afterNodeInsertion(evict);
53     return null;
54 }

其中第13行代码是判断是否出现hash碰撞，假设两个线程A、B都在进行put操作，并且hash函数计算出的插入下标是相同的，当线程A执行完第13行代码后由于时间片耗尽导致被挂起，而线程B得到时间片后在该下标处插入了元素，完成了正常的插入，然后线程A获得时间片，由于之前已经进行了hash碰撞的判断，所有此时不会再进行判断，而是直接进行插入，这就导致了线程B插入的数据被线程A覆盖了，从而线程不安全。除此之前，还有就是代码的第50行处有个++size，我们这样想，还是线程A、B，这两个线程同时进行put操作时，假设当前HashMap的zise大小为10，当线程A执行到第50行代码时，从主内存中获得size的值为10后准备进行+1操作，但是由于时间片耗尽只好让出CPU，线程B快乐的拿到CPU还是从主内存中拿到size的值10进行+1操作，完成了put操作并将size=11写回主内存，然后线程A再次拿到CPU并继续执行(此时size的值仍为10)，当执行完put操作后，还是将size=11写回内存，此时，线程A、B都执行了一次put操作，但是size的值只增加了1，所有说还是由于数据覆盖又导致了线程不安全。

Jdk1.8当中如何解决HashMap扩容成环问题

扩容源码：

    final Node< K,V >[] resize() { 

Node< K,V >[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) { 

if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 

threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//在容量不超过做大容量的时候，扩容扩大为原来的两倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
...省略部分代码
@SuppressWarnings({ 
"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
//遍历旧数组中的元素，复制到table数组中
if (oldTab != null) { 

for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 

Node<K,V> e;
//在这里可能会出现数据丢失
if ((e = oldTab[j]) != null) { 

oldTab[j] = null;  
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode< K,V >)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { 
 // preserve order
Node< K,V > loHead = null, loTail = null;
Node< K,V > hiHead = null, hiTail = null;
Node< K,V > next;
do { 

next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) { 

if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else { 

if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) { 

loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) { 

hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
.

在JDK1.8中机智的使用两组指针解决这个问题，主要代码如下：

 Node< K,V > loHead = null, loTail = null;
Node< K,V > hiHead = null, hiTail = null;
Node< K,V > next;
do { 

next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) { 

if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else { 

if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) { 

loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) { 

hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}

定义了两组指针，分别是高位指针和低位指针：

 Node< K,V > loHead = null, loTail = null;
Node< K,V > hiHead = null, hiTail = null;

这两组指针将链表分成了两部分，高位指针指向哪些扩容后下标变为(旧索引+扩容大小)，低位指针指向哪些扩容后下标还保持不变的节点。分成两条链表今次那个迁移，迁移后节点的前后顺序保持不变，不会出现环的情况。

另外可以看到我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”

扩容的地方是红黑树

上面看到的扩容的地方是链表，如果是红黑树呢?

//这个函数的功能是对红黑树进行　rehash 操作
final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) { 

TreeNode<K,V> b = this;
// Relink into lo and hi lists, preserving order
TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
　　　　　//由于　TreeNode 节点之间存在双端链表的关系，可以利用链表关系进行 rehash
for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) { 

next = (TreeNode<K,V>)e.next;
e.next = null;
if ((e.hash & bit) == 0) { 

if ((e.prev = loTail) == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
++lc;
}
else { 

if ((e.prev = hiTail) == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
++hc;
}
}
//rehash 操作之后注意对根据链表长度进行　untreeify　或　treeify　操作
if (loHead != null) { 

if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index] = loHead.untreeify(map);
else { 

tab[index] = loHead;
if (hiHead != null) // (else is already treeified)
loHead.treeify(tab);
}
}
if (hiHead != null) { 

if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
else { 

tab[index + bit] = hiHead;
if (loHead != null)
hiHead.treeify(tab);
}
}//end if
}//end split

可以看到由TreeNode 节点之间存在双端链表的关系，可以利用链表关系进行处理红黑树，也就是说红黑树里还存着next的信息，只不过平时不用，到扩容的时候就用上了，作为链表来处理，分为高位链表和低位链表。

发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/183237.html原文链接：https://javaforall.cn

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原始发表：2022年10月11日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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