关于Java的HashMap多线程并发问题分析

目录

• 并发问题的症状
• 多线程put后可能导致get死循环
• 多线程put的时候可能导致元素丢失
• put非null元素后get出来的却是null
• HashMap数据结构
• HashMap的rehash源代码
• 正常的ReHash过程
• 并发的Rehash过程
• 三种解决方案
• Hashtable替换HashMap
• Collections.synchronizedMap将HashMap包装起来
• ConcurrentHashMap替换HashMap

并发问题的症状

多线程put后可能导致get死循环

从前我们的Java代码因为一些原因使用了HashMap这个东西，但是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，我们的程序性能有问题，所以需要变成多线程的，于是，变成多线程后到了线上，发现程序经常占了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。但是过段时间又会来。而且，这个问题在测试环境里可能很难重现。

我们简单的看一下我们自己的代码，我们就知道HashMap被多个线程操作。而Java的文档说HashMap是非线程安全的，应该用ConcurrentHashMap。但是在这里我们可以来研究一下原因。简单代码如下：

package com.king.hashmap;
import java.util.HashMap;
public class TestLock {
     private HashMap map = new HashMap();
     public TestLock() {
         Thread t1 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.put( new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println( "t1 over" );
             }
         };
         Thread t2 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.put( new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println( "t2 over" );
             }
         };
         Thread t3 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.put( new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println( "t3 over" );
             }
         };
         Thread t4 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.put( new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println( "t4 over" );
             }
         };
         Thread t5 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.put( new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println( "t5 over" );
             }
         };
         Thread t6 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.get( new Integer(i));
                 }
                 System.out.println( "t6 over" );
             }
         };
         Thread t7 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.get( new Integer(i));
                 }
                 System.out.println( "t7 over" );
             }
         };
         Thread t8 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.get( new Integer(i));
                 }
                 System.out.println( "t8 over" );
             }
         };
         Thread t9 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.get( new Integer(i));
                 }
                 System.out.println( "t9 over" );
             }
         };
         Thread t10 = new Thread() {
             public void run() {
                 for ( int i = 0 ; i < 50000 ; i++) {
                     map.get( new Integer(i));
                 }
                 System.out.println( "t10 over" );
             }
         };
         t1.start();
         t2.start();
         t3.start();
         t4.start();
         t5.start();
         t6.start();
         t7.start();
         t8.start();
         t9.start();
         t10.start();
     }
     public static void main(String[] args) {
         new TestLock();
     }
}

就是启了10个线程，不断的往一个非线程安全的HashMap中put内容/get内容，put的内容很简单，key和value都是从0自增的整数（这个put的内容做的并不好，以致于后来干扰了我分析问题的思路）。对HashMap做并发写操作，我原以为只不过会产生脏数据的情况，但反复运行这个程序，会出现线程t1、t2被hang住的情况，多数情况下是一个线程被hang住另一个成功结束，偶尔会10个线程都被hang住。

产生这个死循环的根源在于对一个未保护的共享变量 — 一个”HashMap”数据结构的操作。当在所有操作的方法上加了”synchronized”后，一切恢复了正常。这算jvm的bug吗？应该说不是的，这个现象很早以前就报告出来了。Sun的工程师并不认为这是bug，而是建议在这样的场景下应采用”ConcurrentHashMap”，

CPU利用率过高一般是因为出现了出现了死循环，导致部分线程一直运行，占用cpu时间。问题原因就是HashMap是非线程安全的，多个线程put的时候造成了某个key值Entry key List的死循环，问题就这么产生了。

当另外一个线程get 这个Entry List 死循环的key的时候，这个get也会一直执行。最后结果是越来越多的线程死循环，最后导致服务器dang掉。我们一般认为HashMap重复插入某个值的时候，会覆盖之前的值，这个没错。但是对于多线程访问的时候，由于其内部实现机制(在多线程环境且未作同步的情况下，对同一个HashMap做put操作可能导致两个或以上线程同时做rehash动作，就可能导致循环键表出现，一旦出现线程将无法终止，持续占用CPU，导致CPU使用率居高不下)，就可能出现安全问题了。

使用jstack工具dump出问题的那台服务器的栈信息。死循环的话，首先查找RUNNABLE的线程，找到问题代码如下：

java.lang.Thread.State:RUNNABLE 
at java.util.HashMap.get(HashMap.java:303) 
at com.sohu.twap.service.logic.TransformTweeter.doTransformTweetT5(TransformTweeter.java:183) 
共出现了23次。 
java.lang.Thread.State:RUNNABLE 
at java.util.HashMap.put(HashMap.java:374) 
at com.sohu.twap.service.logic.TransformTweeter.transformT5(TransformTweeter.java:816) 
共出现了3次。

注意：不合理使用HashMap导致出现的是死循环而不是死锁。

多线程put的时候可能导致元素丢失

主要问题出在addEntry方法的new Entry (hash, key, value, e)，如果两个线程都同时取得了e,则他们下一个元素都是e，然后赋值给table元素的时候有一个成功有一个丢失。

put非null元素后get出来的却是null

在transfer方法中代码如下：

void transfer(Entry[] newTable) {
     Entry[] src = table;
     int newCapacity = newTable.length;
     for ( int j = 0 ; j < src.length; j++) {
         Entry e = src[j];
         if (e != null ) {
             src[j] = null ;
             do {
                 Entry next = e.next;
                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                 e.next = newTable[i];
                 newTable[i] = e;
                 e = next;
             } while (e != null );
         }
     }
}

在这个方法里，将旧数组赋值给src，遍历src，当src的元素非null时，就将src中的该元素置null，即将旧数组中的元素置null了，也就是这一句：

if (e != null ) {
         src[j] = null ;

此时若有get方法访问这个key，它取得的还是旧数组，当然就取不到其对应的value了。

总结：HashMap未同步时在并发程序中会产生许多微妙的问题，难以从表层找到原因。所以使用HashMap出现了违反直觉的现象，那么可能就是并发导致的了。

HashMap数据结构

我需要简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap通常会用一个指针数组（假设为table[]）来做分散所有的key，当一个key被加入时，会通过Hash算法通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个 插到table[i]中，如果有两个不同的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]上形成一个链表。

我们知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10个keys的话，那么碰撞非常频繁，于是一个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。

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，但是这样一来，整个Hash表里的元素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。

HashMap的rehash源代码

下面，我们来看一下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);
     //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 ;
}

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

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。

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);
}

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，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;
                 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。而且没有什么问题。

正常的ReHash过程

画了个图做了个演示。

1. 我假设了我们的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）。
2. 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table1这里了。
3. 接下来的三个步骤是Hash表 resize成4，然后所有的 重新rehash的过程。

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

不遵从此建议将导致无法确定的行为。如果指定映射是可序列化的，则返回的映射也将是可序列化的。

ConcurrentHashMap替换HashMap

支持检索的完全并发和更新的所期望可调整并发的哈希表。此类遵守与 Hashtable 相同的功能规范，并且包括对应于 Hashtable 的每个方法的方法版本。不过，尽管所有操作都是线程安全的，但检索操作不必锁定，并且不支持以某种防止所有访问的方式锁定整个表。此类可以通过程序完全与 Hashtable 进行互操作，这取决于其线程安全，而与其同步细节无关。 检索操作（包括 get）通常不会受阻塞，因此，可能与更新操作交迭（包括 put 和 remove）。检索会影响最近完成的更新操作的结果。对于一些聚合操作，比如 putAll 和 clear，并发检索可能只影响某些条目的插入和移除。类似地，在创建迭代器/枚举时或自此之后，Iterators 和 Enumerations 返回在某一时间点上影响哈希表状态的元素。它们不会抛出 ConcurrentModificationException。不过，迭代器被设计成每次仅由一个线程使用。

原文地址：https://blog.csdn.net/paincupid/article/details/51241783