Java京东面试题之为什么HashMap线程不安全

01、多线程下扩容会死循环

众所周知，HashMap 是通过拉链法来解决哈希冲突的，也就是当哈希冲突时，会将相同哈希值的键值对通过链表的形式存放起来。

JDK 7 时，采用的是头部插入的方式来存放链表的，也就是下一个冲突的键值对会放在上一个键值对的前面（同一位置上的新元素被放在链表的头部）。扩容的时候就有可能导致出现环形链表，造成死循环。

resize 方法的源码：

// newCapacity为新的容量
void resize(int newCapacity) {
  // 小数组，临时过度下
  Entry[] oldTable = table;
  // 扩容前的容量
  int oldCapacity = oldTable.length;
  // MAXIMUM_CAPACITY 为最大容量，2 的 30 次方 = 1<<30
  if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
      // 容量调整为 Integer 的最大值 0x7fffffff（十六进制）=2 的 31 次方-1
      threshold = Integer.MAX_VALUE;
      return;
  }

  // 初始化一个新的数组（大容量）
  Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
  // 把小数组的元素转移到大数组中
  transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
  // 引用新的大数组
  table = newTable;
  // 重新计算阈值
  threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

transfer 方法用来转移，将小数组的元素拷贝到新的数组中。

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
  // 新的容量
  int newCapacity = newTable.length;
  // 遍历小数组
  for (Entry<K,V> e : table) {
      while(null != e) {
          // 拉链法，相同 key 上的不同值
          Entry<K,V> next = e.next;
          // 是否需要重新计算 hash
          if (rehash) {
              e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
          }
          // 根据大数组的容量，和键的 hash 计算元素在数组中的下标
          int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

          // 同一位置上的新元素被放在链表的头部
          e.next = newTable[i];

          // 放在新的数组上
          newTable[i] = e;

          // 链表上的下一个元素
          e = next;
      }
  }
}

注意 e.next = newTable[i] 和 newTable[i] = e 这两行代码，就会将同一位置上的新元素被放在链表的头部。

扩容前的样子假如是下面这样子。

那么正常扩容后就是下面这样子。

假设现在有两个线程同时进行扩容，线程 A 在执行到 newTable[i] = e; 被挂起，此时线程 A 中：e=3、next=7、e.next=null

线程 B 开始执行，并且完成了数据转移。

此时，7 的 next 为 3，3 的 next 为 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：

执行下一轮循环，此时 e=7，原本线程 A 中 7 的 next 为 5，但由于 table 是线程 A 和线程 B 共享的，而线程 B 顺利执行完后，7 的 next 变成了 3，那么此时线程 A 中，7 的 next 也为 3 了。

采用头部插入的方式，变成了下面这样子：

好像也没什么问题，此时 next = 3，e = 3。

进行下一轮循环，但此时，由于线程 B 将 3 的 next 变为了 null，所以此轮循环应该是最后一轮了。

接下来当执行完 e.next=newTable[i] 即 3.next=7 后，3 和 7 之间就相互链接了，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：

套娃开始，元素 5 也就成了弃婴，惨~~~

不过，JDK 8 时已经修复了这个问题，扩容时会保持链表原来的顺序，参照HashMap 扩容机制的这一篇。

 

02、多线程下 put 会导致元素丢失

正常情况下，当发生哈希冲突时，HashMap 是这样的：

但多线程同时执行 put 操作时，如果计算出来的索引位置是相同的，那会造成前一个 key 被后一个 key 覆盖，从而导致元素的丢失。

put 的源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
             boolean evict) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

  // 步骤①：tab为空则创建
  if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
      n = (tab = resize()).length;

  // 步骤②：计算index，并对null做处理 
  if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
      tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  else {
      Node<K,V> e; K k;

      // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value
      if (p.hash == hash &&
          ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          e = p;

      // 步骤④：判断该链为红黑树
      else if (p instanceof TreeNode)
          e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

      // 步骤⑤：该链为链表
      else {
          for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
              if ((e = p.next) == null) {
                  p.next = newNode(hash, key, value, null);

                  //链表长度大于8转换为红黑树进行处理
                  if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                      treeifyBin(tab, hash);
                  break;
              }

              // key已经存在直接覆盖value
              if (e.hash == hash &&
                  ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                  break;
              p = e;
          }
      }

      // 步骤⑥、直接覆盖
      if (e != null) { // existing mapping for key
          V oldValue = e.value;
          if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
              e.value = value;
          afterNodeAccess(e);
          return oldValue;
      }
  }
  ++modCount;

  // 步骤⑦：超过最大容量 就扩容
  if (++size > threshold)
      resize();
  afterNodeInsertion(evict);
  return null;
}

问题发生在步骤 ② 这里：

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
  tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

两个线程都执行了 if 语句，假设线程 A 先执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：

接着，线程 B 执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：

3 被干掉了。

 

03、put 和 get 并发时会导致 get 到 null

线程 A 执行put时，因为元素个数超出阈值而出现扩容，线程B 此时执行get，有可能导致这个问题。

注意来看 resize 源码：

final Node<K,V>[] resize() {
  Node<K,V>[] oldTab = table;
  int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
  int oldThr = threshold;
  int newCap, newThr = 0;
  if (oldCap > 0) {
      // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
      if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
          threshold = Integer.MAX_VALUE;
          return oldTab;
      }
      // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍
      else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
               oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
          newThr = oldThr << 1; // double threshold
  }
  else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
      newCap = oldThr;
  else {               // zero initial threshold signifies using defaults
      newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
      newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
  }
  // 计算新的resize上限
  if (newThr == 0) {
      float ft = (float)newCap * loadFactor;
      newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
  }
  threshold = newThr;
  @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
      Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
  table = newTab;
}

线程 A 执行完 table = newTab 之后，线程 B 中的 table 此时也发生了变化，此时去 get 的时候当然会 get 到 null 了，因为元素还没有转移。

这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 58 篇，我们来聊了聊为什么 HashMap 是线程不安全的。

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