疫苗：Java HashMap的死循環

jopen 11年前發布 | 21K 次閱讀 Java

在淘寶內網里看到同事發了貼說了一個 CPU 被 100% 的線上故障，并且這個事發生了很多次，原因是在 Java 語言在并發情況下使用 HashMap 造成 Race Condition，從而導致死循環。這個事情我4、5 年前也經歷過，本來覺得沒什么好寫的，因為 Java 的 HashMap 是非線程安全的，所以在并發下必然出現問題。但是，我發現近幾年，很多人都經歷過這個事（在網上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在說這個事）所以，覺得這個是個普遍問題，需要寫篇疫苗文章說一下這個事，并且給大家看看一個完美的“Race Condition”是怎么形成的。

問題的癥狀

從前我們的 Java 代碼因為一些原因使用了 HashMap 這個東西，但是當時的程序是單線程的，一切都沒有問題。后來，我們的程序性能有問題，所以需要變成多線程的，于是，變成多線程后到了線上，發現程序經常占了 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，重啟程序后問題消失。但是過段時間又會來。而且，這個問題在測試環境里可能很難重現。

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。

但是在這里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（假設為 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，然后就把這個插到 table[i]中，如果有兩個不同的 key 被算在了同一個i，那么就叫沖突，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，那么碰撞非常頻繁，于是一個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 表里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：

 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

 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，然后把數據從老的 Hash 表中遷移到新的 Hash 表中。

 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：

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

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 以后都沖突在 table[1]這里了。

接下來的三個步驟是 Hash 表 resize 成4，然后所有的重新 rehash 的過程

疫苗：Java HashMap的死循環

并發下的 Rehash

1）假設我們有兩個線程。我用紅色和淺藍色標注了一下。

我們再回頭看一下我們的 transfer 代碼中的這個細節：

do {
    Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這里就被調度掛起了 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。于是我們有下面的這個樣子。

疫苗：Java HashMap的死循環