JAVA中HASHMAP致使死循环（HashMap Infinite Loop）

JAVA hashmap死循环问题的出现缘由（引用自 酷壳）：

若是一个程序以前使用的是单线程，当程序有单线程编程了多线程后，就会出现这个程序占用了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。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。

Hash表数据结构 

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。

查看源代码 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);
        }
    }
}

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。

Demo类com.oldratlee.fucking.concurrency.HashMapHangDemo，能够复现这个问题：

Demo说明

主线程中开启2个任务线程执行HashMap的put操做。主线程作get操做。

问题说明

经过没有持续的输出断定主线程Block，即HashMap的出现死循环。

快速运行

mvn compile exec:java -Dexec.mainClass=com.oldratlee.fucking.concurrency.HashMapHangDemo

具体demo以下:

public class HashMapHangDemo {
    final Map<Integer, Object> holder = new HashMap<Integer, Object>();

    public static void main(String[] args) {
        HashMapHangDemo demo = new HashMapHangDemo();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            demo.holder.put(i, null);
        }

        Thread thread = new Thread(demo.getConcurrencyCheckTask());
        thread.start();
        thread = new Thread(demo.getConcurrencyCheckTask());
        thread.start();

        System.out.println("Start get in main!");
        for (int i = 0; ; ++i) {
            for (int j = 0; j < 10000; ++j) {
                demo.holder.get(j);

                // 若是出现hashmap的get hang住问题，则下面的输出就不会再出现了。
                // 在个人开发机上，很容易在第一轮就观察到这个问题。
                System.out.printf("Got key %s in round %s\n", j, i);
            }
        }
    }

    ConcurrencyTask getConcurrencyCheckTask() {
        return new ConcurrencyTask();
    }

    private class ConcurrencyTask implements Runnable {
        Random random = new Random();

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Add loop started in task!");
            while (true) {
                holder.put(random.nextInt() % (1024 * 1024 * 100), null);
            }
        }
    }
}