疫苗：JAVA HASHMAP的死循环

时间 2019-11-12

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疫苗：JAVA HASHMAP的死循环

2013年05月10日陈皓评论 95 条评论 91,533 人阅读html

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。算法

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。shell

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。数组

可是在这里咱们能够来研究一下缘由。安全

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。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。多线程

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》）。并发

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。oop

相信你们对这个基础知识已经很熟悉了。性能

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：

public V put(K key, V value)

{

......

//算Hash值

int hash = hash(key.hashCode());

int i = indexFor(hash, table.length);

//若是该key已被插入，则替换掉旧的value （连接操做）

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++;

//该key不存在，须要增长一个结点

addEntry(hash, key, value, i);

return null;

}

检查容量是否超标

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);

//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

if (size++ >= threshold)

resize(2 * table.length);

}

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。

void resize(int newCapacity)

{

Entry[] oldTable = table;

int oldCapacity = oldTable.length;

......

//建立一个新的Hash Table

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];

//将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上

transfer(newTable);

table = newTable;

threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);

}

迁移的源代码，注意高亮处：

void transfer(Entry[] newTable)

{

Entry[] src = table;

int newCapacity = newTable.length;

//下面这段代码的意思是：

// 从OldTable里摘一个元素出来，而后放到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;

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

e.next = newTable[i];

newTable[i] = e;

e = next;

} while (e != null);

}

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：

do {

Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

e.next = newTable[i];

newTable[i] = e;

e = next;

} 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

（全文完）