推荐：并发状况下：Java HashMap 造成死循环的缘由

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个CPU被100%的线上故障，而且这个事发生了不少次，缘由是在Java语言在并发状况下使用HashMap形成Race Condition，从而致使死循环。这个事情我四、5年前也经历过，原本以为没什么好写的，由于Java的HashMap是非线程安全的，因此在并发下必然出现问题。可是，我发现近几年，不少人都经历过这个事（在网上查“HashMap Infinite Loop”能够看到不少人都在说这个事）因此，以为这个是个广泛问题，须要写篇疫苗文章说一下这个事，而且给你们看看一个完美的“Race Condition”是怎么造成的。

问题的症状

从前咱们的Java代码由于一些缘由使用了HashMap这个东西，可是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，咱们的程序性能有问题，因此须要变成多线程的，因而，变成多线程后到了线上，发现程序常常占了100%的CPU，查看堆栈，你会发现程序都Hang在了HashMap.get()这个方法上了，重启程序后问题消失。可是过段时间又会来。并且，这个问题在测试环境里可能很难重现。

咱们简单的看一下咱们本身的代码，咱们就知道HashMap被多个线程操做。而Java的文档说HashMap是非线程安全的，应该用ConcurrentHashMap。

可是在这里咱们能够来研究一下缘由：

主要是多线程同时put时，若是同时触发了rehash操做，会致使HashMap中的链表中出现循环节点，进而使得后面get的时候，会死循环。

 

 

Hash表数据结构

我须要简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap一般会用一个指针数组（假设为table[]）来作分散全部的key，当一个key被加入时，会经过Hash算法经过key算出这个数组的下标i，而后就把这个<key, value>插到table[i]中，若是有两个不一样的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table[i]上造成一个链表。

咱们知道，若是table[]的尺寸很小，好比只有2个，若是要放进10个keys的话，那么碰撞很是频繁，因而一个O(1)的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了O(n)，这是Hash表的缺陷（可参看《Hash Collision DoS 问题》）。

因此，Hash表的尺寸和容量很是的重要。通常来讲，Hash表这个容器当有数据要插入时，都会检查容量有没有超过设定的thredhold，若是超过，须要增大Hash表的尺寸，可是这样一来，整个Hash表里的无素都须要被重算一遍。这叫rehash，这个成本至关的大。

相信你们对这个基础知识已经很熟悉了。

HashMap的rehash源代码

下面，咱们来看一下Java的HashMap的源代码。

Put一个Key,Value对到Hash表中：

 

[java] view plain copy

1. public V put(K key, V value)  
2. {  
3.     ......  
4.     //算Hash值  
5.     int hash = hash(key.hashCode());  
6.     int i = indexFor(hash, table.length);  
7.     //若是该key已被插入，则替换掉旧的value （连接操做）  
8.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
9.         Object k;  
10.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
11.             V oldValue = e.value;  
12.             e.value = value;  
13.             e.recordAccess(this);  
14.             return oldValue;  
15.         }  
16.     }  
17.     modCount++;  
18.     //该key不存在，须要增长一个结点  
19.     addEntry(hash, key, value, i);  
20.     return null;  
21. }  

检查容量是否超标

 

 

[java] view plain copy

1. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)  
2. {  
3.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
4.     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
5.     //查看当前的size是否超过了咱们设定的阈值threshold，若是超过，须要resize  
6.     if (size++ >= threshold)  
7.         resize(2 * table.length);  
8. }  

新建一个更大尺寸的hash表，而后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

 

 

[java] view plain copy

1. void resize(int newCapacity)  
2. {  
3.     Entry[] oldTable = table;  
4.     int oldCapacity = oldTable.length;  
5.     ......  
6.     //建立一个新的Hash Table  
7.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
8.     //将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上  
9.     transfer(newTable);  
10.     table = newTable;  
11.     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
12. }  

迁移的源代码，注意高亮处：

 

 

[java] view plain copy

1. void transfer(Entry[] newTable)  
2. {  
3.     Entry[] src = table;  
4.     int newCapacity = newTable.length;  
5.     //下面这段代码的意思是：  
6.     //  从OldTable里摘一个元素出来，而后放到NewTable中  
7.     for (int j = 0; j < src.length; j++) {  
8.         Entry<K,V> e = src[j];  
9.         if (e != null) {  
10.             src[j] = null;  
11.             do {  
12.                 Entry<K,V> next = e.next;  
13.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
14.                 e.next = newTable[i];  
15.                 newTable[i] = e;  
16.                 e = next;  
17.             } while (e != null);  
18.         }  
19.     }  
20. }  

 

好了，这个代码算是比较正常的。并且没有什么问题。

正常的ReHash的过程

画了个图作了个演示。

• 我假设了咱们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小（也就是数组的长度）。

• 最上面的是old hash 表，其中的Hash表的size=2, 因此key = 3, 7, 5，在mod 2之后都冲突在table[1]这里了。

• 接下来的三个步骤是Hash表 resize成4，而后全部的<key,value> 从新rehash的过程

并发下的Rehash

1）假设咱们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。

咱们再回头看一下咱们的 transfer代码中的这个细节：

 

[java] view plain copy

1. do {  
2.     Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了  
3.     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
4.     e.next = newTable[i];  
5.     newTable[i] = e;  
6.     e = next;  
7. } while (e != null);  

 

而咱们的线程二执行完成了。因而咱们有下面的这个样子。

注意，由于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。咱们能够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;
• 而后是e = next，致使了e指向了key(7)，
• 而下一次循环的next = e.next致使了next指向了key(3)

3）一切安好。

线程一接着工做。把key(7)摘下来，放到newTable[i]的第一个，而后把e和next往下移。

4）环形连接出现。

e.next = newTable[i] 致使  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。

因而，当咱们的线程一调用到，HashTable.get(11)时，悲剧就出现了——Infinite Loop。

其它

有人把这个问题报给了Sun，不过Sun不认为这个是一个问题。由于HashMap原本就不支持并发。要并发就用ConcurrentHashmap

http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457

我在这里把这个事情记录下来，只是为了让你们了解并体会一下并发环境下的危险。

参考：http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html