Java基础:JAVA Hashmap的死循环及Java8的修复

2019/03/11

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,原因是在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个keys的话,那么碰撞非常频繁,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,注意高亮处:


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>

image

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。

image

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)

image

3)一切安好。

image

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。

image

于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop。

Java8在死循环的修复

相较于JDK1.7,在1.8中resize()方法不再调用transfer()方法,而是直接将原来transfer()方法中的代码写在自己方法体内; 当然表面上我们能看到方法的减少,其实还有一个重大改变,那就是:扩容后,新数组中的链表顺序依然与旧数组中的链表顺序保持一致!

数组长度的技巧

在分析源码之前,我们还需要知道HashMap底层数组的一些优化: 数组长度总是2的倍数,扩容则是直接在原有数组长度基础上乘以2。

为什么要这么做?有两个优点:

  • 通过与元素的hash值进行与操作,能够快速定位到数组下标 相对于取模运算,直接进行与操作能提高计算效率。在CPU中,所有的加减乘除都是通过加法实现的,而与操作时CPU直接支持的。
  • 扩容时简化计算数组下标的计算量 因为数组每次扩容都是原来的两倍,所以每一个元素在新数组中的位置要么是原来的index,要么index = index + oldCap,假设

数组长度:2,key:3 0 0 0 1 0 0 1 1 结果为 0 0 0 1 = 1 所以数组下标为1;

扩容后,数组长度:4,key:3 0 0 1 1 0 0 1 1 结果为 0 0 1 1 = 3 = 原来的index + oldCap = 1 + 2

即确定元素在新数组的下标时,我们只需要检测元素的hash值与oldCap作与操作的结果是否为0:为0,那么下标还是原来的下标;为1,那么下标等于原来下标加上旧数组长度。

我们来看关键代码(resize()方法完整代码附后):

//如果扩容后,元素的index依然与原来一样,那么使用这个head和tail指针
Node<K,V> loHead = null, loTail = null
//如果扩容后,元素的index=index+oldCap,那么使用这个head和tail指针
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null
Node<K,V> next;
do {
    next = e.next;
    //这个地方直接通过hash值与oldCap进行与操作得出元素在新数组的index
    if ((e.hash & oldCap) == 0) {
        if (loTail == null)
            loHead = e;
        else
            loTail.next = e;
        //tail指针往后移动一位,维持顺序    
        loTail = e;
    }
    else {
        if (hiTail == null)
            hiHead = e;
        else
            hiTail.next = e;
        //tail指针往后移动一位,维持顺序    
        hiTail = e;
    }
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
    loTail.next = null;
    //还是原来的index
    newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
    hiTail.next = null;
    //index = index + oldCap
    newTab[j + oldCap] = hiHead;
}

总结

Java8虽然修复了死循环的BUG,但是HashMap 还是非线程安全类,仍然会产生数据丢失等问题。

参考资料

https://my.oschina.net/alexqdjay/blog/1377268

https://coolshell.cn/articles/9606.html

https://my.oschina.net/liuxiaomian/blog/848996

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原文链接:https://my.oschina.net/alexqdjay/blog/1377268
本文链接:https://www.fangzhipeng.com/javainterview/2019/03/11/hashmap-dead-cycle.html


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