HashMap 死循环的探究

xm_king

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多线程数据结构算法 J#SUN

本文受http://pt.alibaba-inc.com/wp/dev_related_969/hashmap-result-in-improper-use-cpu-100-of-the-problem-investigated.html 的启发，引用了其中的思想，对此表示感谢。

来到杭州实习有一段日子了，很长时间都没有更新博客了，前几天，闲来无事，随便翻了一本书，毕玄的《分布式JAVA应用》，在看到HashMap那一节的时候，其中提到了HashMap是非线程安全的，在并发场景中如果不保持足够的同步，就有可能在执行HashMap.get时进入死循环，将CPU的消耗到100%。HashMap是线程不安全的，这个我知道的，但是在get操作会出现死循环，我还是第一次听说到。于是我google了一下，网上讨论的很多，原来很多人对这个都感兴趣啊，于是我深入到HashMap的源码去探究了一下。

大家都知道，HashMap采用链表解决Hash冲突，具体的HashMap的分析可以参考一下http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697 的分析。因为是链表结构，那么就很容易形成闭合的链路，这样在循环的时候就会产生死循环。但是，我好奇的是，这种闭合的链路是如何形成的呢。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。那就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。下面我们从源码中一步一步地分析这种回路是如何产生的。先看一下put操作：

    public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //存在key，则替换掉旧的value
        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++;
        //table[i]为空，这时直接生成一个新的entry放在table[i]上
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

addEntry操作：

    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);
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

可以看到，如果现在size已经超过了threshold，那么就要进行resize操作：

    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];
        //将旧的Entry数组的数据转移到新的Entry数组上
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

看一下transfer操作，闭合的回路就是在这里产生的：

void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        /*
         * 在转换的过程中，HashMap相当于是把原来链表上元素的的顺序颠倒了。
         * 比如说 原来某一个Entry[i]上链表的顺序是e1->e2->null,那么经过操作之后
         * 就变成了e2->e1->null
         */
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                	//我认为此处是出现死循环的罪魁祸首
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

那么回路究竟是如何产生的呢，问题就出在next=e.next这个地方，在多线程并发的环境下，为了便于分析，我们假设就两个线程P1,P2。src[i]的链表顺序是e1->e2->null。我们分别线程P1,P2的执行情况。

首先，P1，和P2进入到了for循环中，这时候在线程p1和p2中，局部变量分别如下：

	e	next
P1	e1	e2
P2	e1	e2

此时两个Entry的顺序是依然是最开始的状态e1->e2->null, 但是此时p1可能某些原因线程暂停了，p2则继续执行，并执行完了do while循环。这时候Entry的顺序就变成了e2->e1->null。在等到P2执行完之后，可能p1才继续执行，这时候在P1线程中局部变量e的值为e1，next的值为e2(注意此时两个元素在内存中的顺序变成了e2->e1->null)，下面P1线程进入了do while循环。这时候P1线程在新的Entry数组中找到e1的位置，

e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;

下面会把next赋值给e，这时候e的值成为了e2，继续下一次循环，这时候

	e	next
P1	e2	e1

e2->next=e1，这个是线程P2的"功劳"。程序执行完这次循环之后，e=e1,

继续第三次循环，这时候根据算法，就会进行e1->next=e2。

这样在线程P1中执行了 e1->next=e2,在线程P2中执行了 e2->next=e1，这样就形成了一个环。在get操作的时候，next值永远不为null，造成了死循环。

实际上，刚开始我碰到这个说法的时候，还被吓了一跳，HashMap怎么还会出现这个问题呢，仔细分析一下，这个问题再高并发的场景下是很容易出现的。Sun的工程师建议在这样的场景下应采用ConcurrentHashMap。具体参考http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457 。

虽然这个问题再平时的工作中还没有遇到，但是以后需要注意。要在不同的场景下选择合适的类，规避类似HashMap这种死循环的问题。

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Linux环境下源码安装MySQL的详细步骤 | Java并发编程实践之线程的基本控制

2011-03-14 21:44
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29 楼 xm_king 2011-03-18

wujiazhao88 写道

你这头像貌似是毕玄的旺旺头像...囧

确实是，母猴一洗！！一起没注意！

28 楼 wujiazhao88 2011-03-18

你这头像貌似是毕玄的旺旺头像...囧

27 楼 xm_king 2011-03-17

qxt 写道

xm_king 写道

sdh5724 写道

写多了，就成月经贴了。

刚去查了一下，才知道什么叫做月经贴，out了。
师兄在哪个部门？有时间交流一下！

你这位师兄就是人称校长的那位

哦，他就是传说中的校长啊

26 楼 qxt 2011-03-16

xm_king 写道

sdh5724 写道

写多了，就成月经贴了。

刚去查了一下，才知道什么叫做月经贴，out了。
师兄在哪个部门？有时间交流一下！

你这位师兄就是人称校长的那位

25 楼 hardPass 2011-03-16

wattone 写道

我只知道hashMap是不同步的，hashTable是同步的。如果多线程操作还是hashTable吧。具体其他就不晓得了。

hashTable？
应该是Hashtable，这玩意首先命名不规范，其次是效率一般，并且k\v不能是null，此物多存在于那些陈旧的历史代码里。
现在开发，请使用ConcurrentHashMap！

24 楼 lxc_java 2011-03-16

挺好，就是太长了。

23 楼 myreligion 2011-03-16

我们也遇到过，没有深入研究。只是增加了同步操作来解决。

22 楼 lxc_java 2011-03-16

挺好，就是太长了。

21 楼 wattone 2011-03-16

我只知道hashMap是不同步的，hashTable是同步的。如果多线程操作还是hashTable吧。具体其他就不晓得了。

20 楼 javabkb 2011-03-16

之前有看到hashmap并发时死循环的文章,现在终于知道原因了,多谢。

19 楼 kiwijacky 2011-03-16

[quote=&quot;xm_king&quot;] [size=medium;] [/size][size=medium;]本文受<a href="http://pt.alibaba-inc.com/wp/dev_related_969/hashmap-result-in-improper-use-cpu-100-of-the-problem-investigated.html" target="_blank">http://pt.alibaba-inc.com/wp/dev_related_969/hashmap-result-in-improper-use-cpu-100-of-the-problem-investigated.html</a> 的启发，引用了其中的思想，对此表示感谢。 [/size] [size=medium;]来到杭州实习有一段日子了，很长时间都没有更新博客了，前几天，闲来无事，随便翻了一本书，毕玄的《分布式JAVA应用》，在看到HashMap那一节的时候，其中提到了HashMap是非线程安全的，在并发场景中如果不保持足够的同步，就有可能在执行HashMap.get时进入死循环，将CPU的消耗到100%。HashMap是线程不安全的，这个我知道的，但是在get操作会出现死循环，我还是第一次听说到。于是我google了一下，网上讨论的很多，原来很多人对这个都感兴趣啊，于是我深入到HashMap的源码去探究了一下。[/size] [size=medium;] 大家都知道，HashMap采用链表解决Hash冲突，具体的HashMap的分析可以参考一下<a href="http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697" target="_blank">http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697</a> 的分析。因为是链表结构，那么就很容易形成闭合的链路，这样在循环的时候就会产生死循环。但是，我好奇的是，这种闭合的链路是如何形成的呢。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。那就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&gt;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。下面我们从源码中一步一步地分析这种回路是如何产生的。先看一下put操作：[/size] [code=&quot;java&quot;] public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); //存在key，则替换掉旧的value for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash &amp;&amp; ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; //table[i]为空，这时直接生成一个新的entry放在table[i]上 addEntry(hash, key, value, i); return null; } [size=medium;] addEntry操作：[/size] [code=&quot;java&quot;] void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e); if (size++ &gt;= threshold) resize(2 * table.length); } 可以看到，如果现在size已经超过了threshold，那么就要进行resize操作： [code=&quot;java&quot;] 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]; //将旧的Entry数组的数据转移到新的Entry数组上 transfer(newTable); table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); } [size=medium;]看一下transfer操作，闭合的回路就是在这里产生的：[/size] [code=&quot;java&quot;]void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; /* * 在转换的过程中，HashMap相当于是把原来链表上元素的的顺序颠倒了。 * 比如说原来某一个Entry[i]上链表的顺序是e1-&gt;e2-&gt;null,那么经过操作之后 * 就变成了e2-&gt;e1-&gt;null */ for (int j = 0; j e = src[j]; if (e != null) { src[j] = null; do { //我认为此处是出现死循环的罪魁祸首 Entry next = e.next; int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } } [size=medium;] 那么回路究竟是如何产生的呢，问题就出在next=e.next这个地方，在多线程并发的环境下，为了便于分析，我们假设就两个线程P1,P2。src[i]的链表顺序是e1-&gt;e2-&gt;null。我们分别线程P1,P2的执行情况。[/size] 首先，P1，和P2进入到了for循环中，这时候在线程p1和p2中，局部变量分别如下： e next P1 e1 e2 P2 e1 e2 [size=medium;] 此时两个Entry的顺序是依然是最开始的状态e1-&gt;e2-&gt;null, 但是此时p1可能某些原因线程暂停了，p2则继续执行，并执行完了do while循环。这时候Entry的顺序就变成了e2-&gt;e1-&gt;null。在等到P2执行完之后，可能p1才继续执行，这时候在P1线程中局部变量e的值为e1，next的值为e2(注意此时两个元素在内存中的顺序变成了e2-&gt;e1-&gt;null)，下面P1线程进入了do while循环。这时候P1线程在新的Entry数组中找到e1的位置，[/size] [code=&quot;java&quot;]e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; [size=medium;]下面会把next赋值给e，这时候e的值成为了e2，继续下一次循环，这时候[/size] e next P1 e2 e1 [size=medium;] e2-&gt;next=e1，这个是线程P2的&quot;功劳&quot;。程序执行完这次循环之后，e=e1,[/size] [size=medium;]继续第三次循环，这时候根据算法，就会进行e1-&gt;next=e2。[/size] [size=medium;] 这样在线程P1中执行了[/size] [size=medium;]e1-&gt;next=e2,在线程P2中执行了[/size] [size=medium;]e2-&gt;next=e1，这样就形成了一个环。在get操作的时候，next值永远不为null，造成了死循环。[/size] [size=medium;] 实际上，刚开始我碰到这个说法的时候，还被吓了一跳，HashMap怎么还会出现这个问题呢，仔细分析一下，这个问题再高并发的场景下是很容易出现的。Sun的工程师建议在这样的场景下应采用ConcurrentHashMap。具体参考<a href="http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457" target="_blank">http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457</a> 。[/size] [size=medium;]虽然这个问题再平时的工作中还没有遇到，但是以后需要注意。要在不同的场景下选择合适的类，规避类似HashMap这种死循环的问题。[/size]

18 楼 andyjames 2011-03-16

总结的不错，这个地方确实要多考虑线程并发的情况。

17 楼飛翔の雲 2011-03-16

那遇到需要用hashmap的时候直接用hashtable不更好？

16 楼 xm_king 2011-03-16

chenyongxin 写道

xm_king 写道

chenyongxin 写道

void transfer(Entry[] newTable) {
 Entry[] src = table;
 int newCapacity = newTable.length;
 /*
 * 在转换的过程中，HashMap相当于是把原来链表上元素的的顺序颠倒了。
 * 比如说原来某一个Entry[i]上链表的顺序是e1->e2->null,那么经过操作之后
 * 就变成了e2->e1->null
 */
 for (int j = 0; j < src.length; j++) {
 Entry<K,V> e = src[j];
 if (e != null) {
 src[j] = null;
 do {
 //我认为此处是出现死循环的罪魁祸首
 Entry<K,V> next = e.next;
 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
 e.next = newTable[i];
 newTable[i] = e;
 e = next;
 } while (e != null);
 }
 }
 }

 你确定是倒序？
 有点不解：在下慢慢道来

      HashMap的put方法:
      public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        [color=red]int hash = hash(key.hashCode());[/color]
        int i = indexFor(hash, table.length);
        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++;
        [color=red]addEntry(hash, key, value, i);[/color]        return null;
    }

 
     void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
	Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new [color=red]Entry<K,V>(hash, key, value, e);[/color]
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            [color=red]hash = h;[/color]        }

       static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

	static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

以下是我测试indexFor的代码和结果，不知道问题出在哪：

       
 Entry[] newTable = new Entry[3];
 int newCapacity = newTable.length;
        System.out.println(hash("p1".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p1".hashCode()), newCapacity));
        System.out.println(hash("p2".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p2".hashCode()), newCapacity));
        System.out.println(hash("p3".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p3".hashCode()), newCapacity));

     结果：3334-->2
          3333-->0
          3332-->0

实际上，因为HashMap可以存放(null,value)即key可以是null，在resize的时候，所以需要遍历一边，否则，你怎么判断这个table[i]上到底有没有元素呢？

找到原因了：）

e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;

就是把key通过hash算法和indexFor算法后的到的下标放到同一个链中，比如key="p1"和key="p2"通过“indexFor(hash("p1".hashCode()), newCapacity)”后如果他们的下标都是0时，那么他的存储结构是Entry[0]=Entry(hash,"p1","p1",Entry(hash,"p2","p2",null));
倒序排列的就是p1和p2的顺序，那么代码

e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;

对Entry[0]中元素的操作我们可以简写成

e.next = e; 直到e为null，就是这样,原本的顺序是e1|e1.next-->e2|e2.next-->null 转换后 null<--e1.next|e1<--e2.next|e2

如果在多线程下操作（我模拟的程序结果是有这样一种情况）e2<--e1.next|e1<--e2.next|e2,在Entry数组的某个位置上出现循环链表。

15 楼 sliverxxm 2011-03-16

一直都在用多线程的并发操作,虽然还没碰到死锁的现象,但还是感谢一下楼主.涨见识啦.

14 楼 chenyongxin 2011-03-16

xm_king 写道

chenyongxin 写道

      HashMap的put方法:
      public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        [color=red]int hash = hash(key.hashCode());[/color]
        int i = indexFor(hash, table.length);
        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++;
        [color=red]addEntry(hash, key, value, i);[/color]        return null;
    }

 
     void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
	Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new [color=red]Entry<K,V>(hash, key, value, e);[/color]
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            [color=red]hash = h;[/color]        }

       static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

	static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

以下是我测试indexFor的代码和结果，不知道问题出在哪：

       
 Entry[] newTable = new Entry[3];
 int newCapacity = newTable.length;
        System.out.println(hash("p1".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p1".hashCode()), newCapacity));
        System.out.println(hash("p2".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p2".hashCode()), newCapacity));
        System.out.println(hash("p3".hashCode())+"-->"+indexFor(hash("p3".hashCode()), newCapacity));

     结果：3334-->2
          3333-->0
          3332-->0

实际上，因为HashMap可以存放(null,value)即key可以是null，在resize的时候，所以需要遍历一边，否则，你怎么判断这个table[i]上到底有没有元素呢？

找到原因了：）

e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;

e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;

对Entry[0]中元素的操作我们可以简写成

e.next = e; 直到e为null，就是这样,原本的顺序是e1|e1.next-->e2|e2.next-->null 转换后 null<--e1.next|e1<--e2.next|e2

如果在多线程下操作（我模拟的程序结果是有这样一种情况）e2<--e1.next|e1<--e2.next|e2,在Entry数组的某个位置上出现循环链表。

13 楼 chenyongxin 2011-03-16

在多线程下Entry数组的某个位置上可能出现循环链表。

12 楼 hardPass 2011-03-16

多线程并发put的时候才会有问题。

只要保证put的是同步的，就不会有这个问题了。

另外rehash是比较耗资源的事情，在一开始设置好容量，尽量不rehash.

实在不行，直接用ConcurrentHashMap。

11 楼 lym6520 2011-03-16

说到HashMap，看到项目中参数大部分用HashMap，而且大部分不是通过Map接口来定义的，实在无奈啊。

10 楼 kingkan 2011-03-16

通常只读情况下，可以用HashMap,如果读写频繁，就要用ConcurrentHashMap。

楼主的文章总结的很好。

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