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多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

Java 中的 hashmap 是非线程安全的,多线程下应该用 ConcurrentHashMap。

多线程下 HashMap 的问题(这里主要说死循环问题):

  • 多线程 put 操作后,get 操作导致死循环;
  • 多线程 put 非 null 元素后,get 操作得到 null 值;
  • 多线程 put 操作,导致元素丢失。

1. 为何出现死循环

在多线程下使用非线程安全的 HashMap,单线程根本不会出现。

  • HashMap 是 采用链表解决 Hash 冲突 。因为是 链表 结构,那么就很容易形成闭合的链路。这样在循环的时候,只要有线程对这个 HashMap 进行 get 操作就会产生死循环;
  • 在单线程情况下,只有一个线程对 HashMap 的数据结构进行操作,是不可能产生闭合的回路的;
  • 只有在多线程并发的情况下才会出现这种情况,那就是在 put 操作的时候。如果 size > initialCapacity*loadFactor,那么这时候 HashMap 就会进行 rehash 操作,随之 HashMap 的结构就会发生翻天覆地的变化。很有可能就是在两个线程在这个时候同时触发了 rehash 操作,产生了闭合的回路。

2. 死循环是如何产生的

存储数据 put():

 public V put(K key, V value) {
    //......
    //算Hash值
    int hash = hash(key. Hash Code());
    int i = indexFor(hash, table.length);
    //如果该key已被插入,则替换掉旧的value (链接操作)
    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,需要增加一个结点
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}  

当我们往 HashMap 中 put 元素的时候,先根据 key 的 hash 值得到这个元素在数组中的位置(即下标),然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。

如果这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位置上的元素将以链表的形式存放。新加入的元素放在链头,而先前加入的放在链尾。

检查容量是否超标 addEntry:

 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是否超过了我们设定的 阈值 threshold,如果超过,需要resize
    if (size++ >= threshold) {
       resize(2 * table.length);
    }
}  

如果现在 size 已经超过了 threshold,那么就要进行 resize 操作。新建一个更大尺寸的 hash 表 ,然后把数据从老的 Hash 表中迁移到新的 Hash 表中。

调整 Hash 表大小 resize:

 
  
 void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    // ......
    //创建一个新的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);
}  
 
  

当 table[] 数组容量较小,容易产生哈希碰撞。所以,Hash 表的尺寸和容量非常的重要。

一般来说,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。如果超过,需要增大 Hash 表的尺寸,这个过程称为 resize。

多个线程同时往 HashMap 添加新元素时,多次 resize 会有一定概率出现死循环。因为每次 resize 需要把旧的数据映射到新的 哈希表 ,这一部分代码在 HashMap#transfer() 方法中:

 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,然后放到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; //取出第一个元素
             int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
             e.next = newTable[i];
             newTable[i] = e;
             e = next;
          } while (e != null);
       }
    }
}  

标红代码是导致多线程使用 hashmap 出现 CPU 使用率骤增,出现死循环,从而多个线程阻塞的罪魁祸首。

3、图解 HashMap 死循环

3.1 正常的 reHash 的过程(单线程)

假设了我们的 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,。所以 key = 3, 7, 5,在 mod 2 以后都冲突在 table[1] 这里了。

接下来的三个步骤是 Hash 表 resize 成 4,然后所有的 <key,value> 重新 rehash 的过程。

3.2 并发下的Rehash(多线程)

假设我们有两个 线程

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

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面这张图:

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,在这里线程一变成了操作经过线程二操作后的 HashMap。

线程一调度执行。

  • 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)。

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。

这个元素所在的位置上已经存放有其他元素了,那么在同一个位置上的元素将以链表的形式存放。新加入的放在链头,而先前加入的放在链尾。

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。

这里介绍了在多线程下为什么 HashMap 会出现死循环。不过在真实的生产环境下,不会使用线程不安全的 HashMap。

文章来源:智云一二三科技

文章标题:多线程环境下,HashMap为什么会出现死循环?

文章地址:https://www.zhihuclub.com/199200.shtml

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