【校招VIP】JDK1.7和JDK1.8中HashMap为什么是线程不安全的?

08月14日 收藏 0 评论 0 java开发

【校招VIP】JDK1.7和JDK1.8中HashMap为什么是线程不安全的?

转载声明:原文链接:https://blog.csdn.net/swpu_ocean/article/details/88917958  

前言
只要是对于集合有一定了解的一定都知道HashMap是线程不安全的,我们应该使用ConcurrentHashMap。但是为什么HashMap是线程不安全的呢,之前面试的时候也遇到到这样的问题,但是当时只停留在***知道是***的层面上,并没有深入理解***为什么是***。于是今天重温一个HashMap线程不安全的这个问题。
首先需要强调一点,HashMap的线程不安全体现在会造成死循环、数据丢失、数据覆盖这些问题。其中死循环和数据丢失是在JDK1.7中出现的问题,在JDK1.8中已经得到解决,然而1.8中仍会有数据覆盖这样的问题。

扩容引发的线程不安全
HashMap的线程不安全主要是发生在扩容函数中,即根源是在transfer函数中,JDK1.7中HashMap的transfer函数如下:

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}

这段代码是HashMap的扩容操作,重新定位每个桶的下标,并采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转,这也是形成死循环的关键点。理解了头插法后再继续往下看是如何造成死循环以及数据丢失的。

扩容造成死循环和数据丢失的分析过程
假设现在有两个线程A、B同时对下面这个HashMap进行扩容操作:

正常扩容后的结果是下面这样的:

但是当线程A执行到上面transfer函数的第11行代码时,CPU时间片耗尽,线程A被挂起。即如下图中位置所示:

此时线程A中:e=3、next=7、e.next=null

当线程A的时间片耗尽后,CPU开始执行线程B,并在线程B中成功的完成了数据迁移

重点来了,根据Java内存模式可知,线程B执行完数据迁移后,此时主内存中newTable和table都是最新的,也就是说:7.next=3、3.next=null。
随后线程A获得CPU时间片继续执行newTable[i] = e,将3放入新数组对应的位置,执行完此轮循环后线程A的情况如下:

接着继续执行下一轮循环,此时e=7,从主内存中读取e.next时发现主内存中7.next=3,于是乎next=3,并将7采用头插法的方式放入新数组中,并继续执行完此轮循环,结果如下:

执行下一次循环可以发现,next=e.next=null,所以此轮循环将会是最后一轮循环。接下来当执行完e.next=newTable[i]即3.next=7后,3和7之间就相互连接了,当执行完newTable[i]=e后,3被头插法重新插入到链表中,执行结果如下图所示:

上面说了此时e.next=null即next=null,当执行完e=null后,将不会进行下一轮循环。到此线程A、B的扩容操作完成,很明显当线程A执行完后,HashMap中出现了环形结构,当在以后对该HashMap进行操作时会出现死循环。
并且从上图可以发现,元素5在扩容期间被莫名的丢失了,这就发生了数据丢失的问题。

JDK1.8中的线程不安全
根据上面JDK1.7出现的问题,在JDK1.8中已经得到了很好的解决,如果你去阅读1.8的源码会发现找不到transfer函数,因为JDK1.8直接在resize函数中完成了数据迁移。另外说一句,JDK1.8在进行元素插入时使用的是尾插法。
为什么说JDK1.8会出现数据覆盖的情况喃,我们来看一下下面这段JDK1.8中的put操作代码:

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

其中第六行代码是判断是否出现hash碰撞,假设两个线程A、B都在进行put操作,并且hash函数计算出的插入下标是相同的,当线程A执行完第六行代码后由于时间片耗尽导致被挂起,而线程B得到时间片后在该下标处插入了元素,完成了正常的插入,然后线程A获得时间片,由于之前已经进行了hash碰撞的判断,所有此时不会再进行判断,而是直接进行插入,这就导致了线程B插入的数据被线程A覆盖了,从而线程不安全。
除此之前,还有就是代码的第38行处有个++size,我们这样想,还是线程A、B,这两个线程同时进行put操作时,假设当前HashMap的zise大小为10,当线程A执行到第38行代码时,从主内存中获得size的值为10后准备进行+1操作,但是由于时间片耗尽只好让出CPU,线程B快乐的拿到CPU还是从主内存中拿到size的值10进行+1操作,完成了put操作并将size=11写回主内存,然后线程A再次拿到CPU并继续执行(此时size的值仍为10),当执行完put操作后,还是将size=11写回内存,此时,线程A、B都执行了一次put操作,但是size的值只增加了1,所有说还是由于数据覆盖又导致了线程不安全。

总结
HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面:
1.在JDK1.7中,当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。
2.在JDK1.8中,在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。

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