疫苗：Java HashMap的死循环

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2013-05-10 10:15 by 副主编 WnouM 评论(12) 有16373人浏览

Java HashMap 优化线程安全死循环

本文转载自酷壳网（作者陈皓），本中作者介绍了Java在并发情况下使用HashMap造成死循环的一些预防处理办法，原文内容如下：

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个CPU被100%的线上故障，并且这个事发生了很多次，原因是Java语言在并发情况下使用HashMap造成Race Condition，从而导致死循环。这个事情我4、5年前也经历过，本来觉得没什么好写的，因为Java的HashMap是非线程安全的，所以在并发下必然出现问题。但是，我发现近几年，很多人都经历过这个事（在网上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在说这个事）所以，觉得这个是个普遍问题，需要写篇疫苗文章说一下这个事，并且给大家看看一个完美的“Race Condition”是怎么形成的。

问题的症状

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。

Hash表数据结构

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<key, value>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 key的话，那么碰撞的概念就会很高，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（可参看《Hash Collision DoS 问题》）。

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表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。

相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。

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，注意下面的第12、14~16行：

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的过程

画了个图做了个演示。

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）。
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

并发下的Rehash

1）假设我们有两个线程。

我用红色和浅蓝色标注了一下。

我们再回头看一下我们的 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);

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

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。

2）线程一被调度回来执行。

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)

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。

4）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。

其它

有人把这个问题报给了Sun，不过Sun不认为这个是一个问题。因为HashMap本来就不支持并发。要并发就用ConcurrentHashmap

http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457

我在这里把这个事情记录下来，只是为了让大家了解并体会一下并发环境下的危险。

查看图片附件

来自: 酷壳

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评论共 12 条请登录后发表评论

12 楼 luoyu-ds 2013-05-14 09:35

smallbee 写道

我们知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10 key的话，那么碰撞的概念就会很高，

碰撞不是尺寸问题吧，应该是key的hash算出相同的值导致吧

楼主的意思是，如果本身链表长度只有两个，那么意味着在该链表内通过hash算法算出的链表只有两个值，无论你传什么key,得到的值也只在这两个之内，所以如果存入10个，碰撞几率肯定大很多啊

11 楼 jiewo 2013-05-13 15:13

很好的文档，正常工作中，从来没有这么仔细的看过代码！

10 楼 runfriends 2013-05-13 10:44

这确实是个问题，不过问题不大。如果对实时性要求不高完全可以这么做

3GQQ2012 写道

runfriends 写道

其实如果能保证put、remove和get这三个操作不会并发执行，就不会出现死循环
死循环是并发的put remove时因rehash引起的，如果只有并发get就不会出现

其实要想使用HashMap实现并发也是可以的，不一定非要使用ConcurrentHashMap，有些时候ConcurrentHashMap数据结构过于复杂，而多数时候不必使用这么复杂的。

要想在并发环境下使用HashMap而又不引起死循环，就只能在写操作时用写锁锁定，在读操作时用读锁锁定。这样就不会出现死循环。

可能有人会说这样效率太低，但是在有些情况下，可能需要同步的不只是map的方法，而是要同步若干行代码。这种情况下就没必要使用ConcurrentHashMap了，因为在map操作前后还有逻辑需要同步。

这么理解不对。。。如果只是写的时候加锁，还会有线程可见性的问题

9 楼 schweigen 2013-05-12 23:51

我们系统在几个月前也遇到过同样的问题，改成ConcurrentHashMap 就没事了。之前确实没考虑过多线程下HashMap 会造成死循环的情况。

8 楼 3GQQ2012 2013-05-12 21:43

runfriends 写道

这么理解不对。。。如果只是写的时候加锁，还会有线程可见性的问题

7 楼 wei_qiu 2013-05-12 01:08

6 楼 ankonlcy 2013-05-11 17:33

楼主分析的很到位，但是楼主这样写给人一个误解，两个线程操作的内存区域是不同的内存区域，其实导致并发问题的就是由于两个线程操作了同一个内存区域，导致数据错误。
楼主明显标注thread1在此处挂起：

Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了

下面执行时就该是下面的代码：

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

那么在执行楼主所说的第二步：“2）线程一被调度回来执行。”时，循环就已经出现了，而不是像楼主所说的那样还需要在多执行一次调用才出现循环。

5 楼 jiecooly 2013-05-10 15:11

smallbee 写道

这里只是为了便于理解而已，但楼主可以说得更详细点。不至于给新人带来误解。分析很透彻，好文章

4 楼 zsw12013 2013-05-10 14:30

虽然不是很清楚，但貌似很厉害的样子

3 楼 smallbee 2013-05-10 14:07

2 楼 runfriends 2013-05-10 12:24

1 楼 laonao 2013-05-10 10:39

一般很少用到并发，但还是学习了

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