【Java】HashMap为什么线程不安全

一、学习目标

1、HashMap线程不安全原因：

原因：

  • JDK1.7 中，由于多线程对HashMap进行扩容，调用了HashMap#transfer()，具体原因：某个线程执行过程中，被挂起，其他线程已经完成数据迁移，等CPU资源释放后被挂起的线程重新执行之前的逻辑，数据已经被改变，造成死循环、数据丢失。

  • JDK1.8 中，由于多线程对HashMap进行put操作，调用了HashMap#putVal()，具体原因：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。

改善：

  • 数据丢失、死循环已经在在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HashMap#transfer()，因为JDK1.8直接在HashMap#resize()中完成了数据迁移。

2、HashMap线程不安全的体现：

  • JDK1.7 HashMap线程不安全体现在：死循环、数据丢失

  • JDK1.8 HashMap线程不安全体现在：数据覆盖

二、HashMap线程不安全、死循环、数据丢失、数据覆盖的原因

1、JDK1.7 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，其中调用了JDK1.7 HshMap#transfer()：

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;
}
}
}
复制代码

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。

2、扩容造成死循环和数据丢失

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：

【Java】HashMap为什么线程不安全

正常扩容后的结果是下面这样的：

【Java】HashMap为什么线程不安全

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：

【Java】HashMap为什么线程不安全

此时线程A中：e=3、next=7、e.next=null

【Java】HashMap为什么线程不安全

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

【Java】HashMap为什么线程不安全

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：

【Java】HashMap为什么线程不安全

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，此时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：

【Java】HashMap为什么线程不安全

此时没任何问题。

上轮next=3，e=3，执行下一次循环可以发现，3.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：

【Java】HashMap为什么线程不安全

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。

3、JDK1.8中的线程不安全

上面的扩容造成的数据丢失、死循环已经在在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HashMap#transfer()，因为JDK1.8直接在HashMap#resize()中完成了数据迁移。

为什么说 JDK1.8会出现数据覆盖的情况？ 我们来看一下下面这段JDK1.8中的put操作代码：

【Java】HashMap为什么线程不安全

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。

三、如何使HashMap在多线程情况下进行线程安全操作？

使用 Collections.synchronizedMap(map)，包装成同步Map，原理就是在HashMap的所有方法上synchronized。

例如：Collections.SynchronizedMap#get()

public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {
return m.get(key);
}
}
复制代码

四、总结

1、HashMap线程不安全原因：

原因：

  • JDK1.7 中，由于多线程对HashMap进行扩容，调用了HashMap#transfer()，具体原因：某个线程执行过程中，被挂起，其他线程已经完成数据迁移，等CPU资源释放后被挂起的线程重新执行之前的逻辑，数据已经被改变，造成死循环、数据丢失。

  • JDK1.8 中，由于多线程对HashMap进行put操作，调用了HashMap#putVal()，具体原因：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。

改善：

  • 数据丢失、死循环已经在在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HashMap#transfer()，因为JDK1.8直接在HashMap#resize()中完成了数据迁移。

2、HashMap线程不安全的体现：

  • JDK1.7 HashMap线程不安全体现在：死循环、数据丢失

  • JDK1.8 HashMap线程不安全体现在：数据覆盖

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