JAVA HASHMAP的死循環

問題的症狀

從前我們的Java代碼因爲一些原因使用了HashMap這個東西，但是當時的程序是單線程的，一切都沒有問題。後來，我們的程序性能有問題，所以需要變成多線程的，於是，變成多線程後到了線上，發現程序經常佔了100%的CPU，查看堆棧，你會發現程序都Hang在了HashMap.get()這個方法上了，重啓程序後問題消失。但是過段時間又會來。而且，這個問題在測試環境裏可能很難重現。

我們簡單的看一下我們自己的代碼，我們就知道HashMap被多個線程操作。而Java的文檔說HashMap是非線程安全的，應該用ConcurrentHashMap。

但是在這裏我們可以來研究一下原因。

 

Hash表數據結構

我需要簡單地說一下HashMap這個經典的數據結構。

HashMap通常會用一個指針數組（假設爲table[]）來做分散所有的key，當一個key被加入時，會通過Hash算法通過key算出這個數組的下標i，然後就把這個<key, value>插到table[i]中，如果有兩個不同的key被算在了同一個i，那麼就叫衝突，又叫碰撞，這樣會在table[i]上形成一個鏈表。

我們知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2個，如果要放進10個keys的話，那麼碰撞非常頻繁，於是一個O(1)的查找算法，就變成了鏈表遍歷，性能變成了O(n)，這是Hash表的缺陷（可參看《Hash Collision DoS 問題》）。

所以，Hash表的尺寸和容量非常的重要。一般來說，Hash表這個容器當有數據要插入時，都會檢查容量有沒有超過設定的thredhold，如果超過，需要增大Hash表的尺寸，但是這樣一來，整個Hash表裏的無素都需要被重算一遍。這叫rehash，這個成本相當的大。

相信大家對這個基礎知識已經很熟悉了。

HashMap的rehash源代碼

下面，我們來看一下Java的HashMap的源代碼。

Put一個Key,Value對到Hash表中：

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public V put(K key, V value) {     ......     //算Hash值     int hash = hash(key.hashCode());     int i = indexFor(hash, table.length);     //如果該key已被插入，則替換掉舊的value （鏈接操作）     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++;     //該key不存在，需要增加一個結點     addEntry(hash, key, value, i);     return null; }

檢查容量是否超標

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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);     //查看當前的size是否超過了我們設定的閾值threshold，如果超過，需要resize     if (size++ >= threshold)         resize(2 * table.length); }

新建一個更大尺寸的hash表，然後把數據從老的Hash表中遷移到新的Hash表中。

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void resize(int newCapacity) {     Entry[] oldTable = table;     int oldCapacity = oldTable.length;     ......     //創建一個新的Hash Table     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];     //將Old Hash Table上的數據遷移到New Hash Table上     transfer(newTable);     table = newTable;     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); }

遷移的源代碼，注意高亮處：

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void transfer(Entry[] newTable) {     Entry[] src = table;     int newCapacity = newTable.length;     //下面這段代碼的意思是：     //  從OldTable裏摘一個元素出來，然後放到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，這個代碼算是比較正常的。而且沒有什麼問題。

正常的ReHash的過程

畫了個圖做了個演示。

• 我假設了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小（也就是數組的長度）。

• 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以後都衝突在table[1]這裏了。

• 接下來的三個步驟是Hash表 resize成4，然後所有的<key,value> 重新rehash的過程

併發下的Rehash

1）假設我們有兩個線程。我用紅色和淺藍色標註了一下。

我們再回頭看一下我們的 transfer代碼中的這個細節：

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do {     Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這裏就被調度掛起了     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);     e.next = newTable[i];     newTable[i] = e;     e = next; } while (e != null);

而我們的線程二執行完成了。於是我們有下面的這個樣子。

注意，因爲Thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)，其在線程二rehash後，指向了線程二重組後的鏈表。我們可以看到鏈表的順序被反轉後。

2）線程一被調度回來執行。

• 先是執行 newTalbe[i] = e;
• 然後是e = next，導致了e指向了key(7)，
• 而下一次循環的next = e.next導致了next指向了key(3)

3）一切安好。

線程一接着工作。把key(7)摘下來，放到newTable[i]的第一個，然後把e和next往下移。

4）環形鏈接出現。

e.next = newTable[i] 導致  key(3).next 指向了 key(7)

注意：此時的key(7).next 已經指向了key(3)， 環形鏈表就這樣出現了。

於是，當我們的線程一調用到，HashTable.get(11)時，悲劇就出現了——Infinite Loop。