在多线程环境中,使用HashMap进行put操作时会引起死循环,导致CPU使用接近100%,下面通过代码分析一下为什么会发生死循环。
首先先分析一下HashMap的数据结构:HashMap底层数据结构是有一个链表数据构成的,HashMap中定义了一个静态内部类作为链表,代码如下(与本文无关的代码省略):
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; final int hash; /** * Creates new entry. */ Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { value = v; next = n; key = k; hash = h; } 、 }
/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */ transient Entry[] table;
之所以会导致HashMap出现死循环是因为多线程会导致HashMap的Entry节点形成环链,这样当遍历集合时Entry的next节点用于不为空,从而形成死循环
单添加元素时会通过key的hash值确认链表数组下标
public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); //确认链表数组位置 int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); //如果key相同则覆盖value部分 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++; //添加链表节点 addEntry(hash, key, value, i); return null; }
下面看一下HashMap添加节点的实现
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { //bucketIndex 通过key的hash值与链表数组的长度计算得出 Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; //创建链表节点 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //判断是否需要扩容 if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); }
以上部分的实现不会导致链路出现环链,环链一般会出现HashMap扩容是,下面看看扩容的实现:
void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; transfer(newTable);//可能导致环链 table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); }
下面transfer的实现
void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; 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); } } }
这个方法的目的是将原链表数据的数组拷到新的链表数组中,拷贝过程中如果形成环链的呢?下面用一个简单的例子来说明一下:
public class InfiniteLoop { static final Map<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>(2, 0.75f); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { map.put(5, 55); new Thread("Thread1") { public void run() { map.put(7, 77); System.out.println(map); }; }.start(); new Thread("Thread2") { public void run() { map.put(3, 33); System.out.println(map); }; }.start(); } }
下面通过debug跟踪调试来看看如果导致HashMap形成环链,断点位置:
- 线程1的put操作
- 线程2的put操作
- 线程2的输出操作
- HashMap源码transfer方法中的第一行、第六行、第九行
测试开始
- 使线程1进入transfer方法第一行,此时map的结构如下
2. 使线程2进入transfer方法第一行,此时map的结构如下:
3.接着切换回线程1,执行到transfer的第六行,此时map的结构如下:
4.然后切换回线程2使其执行到transfer方法的第六行,此时map的结够如上
5.接着切换回线程1使其执行到transfer方法的第九行,然后切换回线程2使其执行完,此时map的结构如下:
6.切换回线程1执行循环,因为线程1之前是停在HashMap的transfer方法的第九行处,所以此时transfer方法的节点e的key=3,e.next的key=7
void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; 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);//线程1等线程2执行结束后 //从此处开始执行 //此时e的key=3,e.next.key=7 //但是此时的e.next.next的key=3了 //(被线程2修改了) e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } }
下面线程1开始执行第一次循环,循环后的map结构如下:
接着执行第二次循环:e.key=7,e.next.key=3,e.next.next=null
接着执行第三次循环,从而导致环链形成,map结构如下
并且此时的map中还丢失了key=5的节点
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