1.HashMap为什么不安全？
2.为什么HashMap是源码线程不安全的

HashMap为什么不安全？

       æˆ‘们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

       1.jdk1.7中的HashMap

       åœ¨jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

       public class HashMapTest {     public static void main(String[] args) {         HashMapThread thread0 = new HashMapThread();        HashMapThread thread1 = new HashMapThread();        HashMapThread thread2 = new HashMapThread();        HashMapThread thread3 = new HashMapThread();        HashMapThread thread4 = new HashMapThread();        thread0.start();        thread1.start();        thread2.start();        thread3.start();        thread4.start();    }}class HashMapThread extends Thread {     private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();    private static Map map = new HashMap<>();    @Override    public void run() {         while (ai.get() < ) {             map.put(ai.get(), ai.get());            ai.incrementAndGet();        }    }}

       ä¸Šè¿°ä»£ç æ¯”较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。

       åœ¨å¤šè¿è¡Œå‡ æ¬¡è¯¥ä»£ç åŽï¼Œå‡ºçŽ°å¦‚下死循环情形：

       å…¶ä¸­æœ‰å‡ æ¬¡è¿˜ä¼šå‡ºçŽ°æ•°ç»„越界的情况：

       è¿™é‡Œæˆ‘们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

       ä»Žå †æ ˆä¿¡æ¯ä¸­å¯ä»¥çœ‹åˆ°å‡ºçŽ°æ­»å¾ªçŽ¯çš„位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在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 e : table) {             while(null != e) {                 Entry 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;            }        }    }

       æ€»ç»“下该函数的主要作用：

       åœ¨å¯¹table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意-行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。

       ä¸‹é¢è¿›è¡Œè¯¦ç»†åˆ†æžã€‚

       1.1 扩容造成死循环分析过程

       å‰ææ¡ä»¶ï¼Œè¿™é‡Œå‡è®¾ï¼š

       hash算法为简单的用key mod链表的大小。

       æœ€å¼€å§‹hash表size=2，key=3,7,5，则都在table[1]中。

       ç„¶åŽè¿›è¡Œresize，使size变成4。

       æœªresize前的数据结构如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       å¦‚果在单线程环境下，最后的结果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       è¿™é‡Œçš„转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

       ç„¶åŽåœ¨å¤šçº¿ç¨‹çŽ¯å¢ƒä¸‹ï¼Œå‡è®¾æœ‰ä¸¤ä¸ªçº¿ç¨‹A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       æ­¤æ—¶çº¿ç¨‹A中运行结果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       çº¿ç¨‹A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       è¿™é‡Œéœ€è¦ç‰¹åˆ«æ³¨æ„çš„点：由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

       æ­¤æ—¶åˆ‡æ¢åˆ°çº¿ç¨‹A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3e=next ----> e=7

       æ­¤æ—¶ç»“果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       ç»§ç»­å¾ªçŽ¯ï¼š

e=7next=e.next ----> next=3【从主存中取值】e.next=newTable[3] ----> e.next=3【从主存中取值】newTable[3]=e ----> newTable[3]=7e=next ----> e=3

       ç»“果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       å†æ¬¡è¿›è¡Œå¾ªçŽ¯ï¼š

e=3next=e.next ----> next=nulle.next=newTable[3] ----> e.next=7 å³ï¼š3.next=7newTable[3]=e ----> newTable[3]=3e=next ----> e=null

       æ³¨æ„æ­¤æ¬¡å¾ªçŽ¯ï¼še.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

       ç»“果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       åœ¨åŽç»­æ“ä½œä¸­åªè¦æ¶‰åŠè½®è¯¢hashmap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。

       1.2 扩容造成数据丢失分析过程

       éµç…§ä¸Šè¿°åˆ†æžè¿‡ç¨‹ï¼Œåˆå§‹æ—¶ï¼š

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       çº¿ç¨‹A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       æ­¤æ—¶çº¿ç¨‹A的运行结果如下：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       æ­¤æ—¶çº¿ç¨‹B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       åŒæ ·æ³¨æ„ç”±äºŽçº¿ç¨‹B执行完成，newTable和table都为最新值：5.next=null。

       æ­¤æ—¶åˆ‡æ¢åˆ°çº¿ç¨‹A，在线程A挂起时：e=7，next=5，newTable[3]=null。

       æ‰§è¡Œnewtable[i]=e，就将7放在了table[3]的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5next=e.next ----> next=null，从主存中取值e.next=newTable[1] ----> e.next=5，从主存中取值newTable[1]=e ----> newTable[1]=5e=next ----> e=null

       å°†5放置在table[1]位置，此时e=null循环结束，3元素丢失，并形成环形链表。并在后续操作hashmap时造成死循环。

       è¯·ç‚¹å‡»è¾“入图片描述

       2.jdk1.8中HashMap

       åœ¨jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全，这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,                   boolean evict) {         Node[] tab; Node p; int n, i;        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)            n = (tab = resize()).length;        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // å¦‚果没有hash碰撞则直接插入元素            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);        else {             Node 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)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;    }

       è¿™æ˜¯jdk1.8中HashMap中put操作的主函数， 注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。

       å¦‚果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。

       å‡è®¾ä¸€ç§æƒ…况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给覆盖，发生线程不安全。

       æ€»ç»“

       é¦–å…ˆHashMap是线程不安全的，其主要体现：

       åœ¨jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。

       åœ¨jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。

为什么HashMap是线程不安全的

       这是《Java程序员进阶之路》专栏的第篇，我们来聊聊为什么HashMap是分析线程不安全的。

、源码多线程下扩容会死循环

       众所周知，分析HashMap是源码通过拉链法来解决哈希冲突的，也就是分析源码包的特征当哈希冲突时，会将相同哈希值的源码键值对通过链表的形式存放起来。

       JDK7时，分析采用的源码是头部插入的方式来存放链表的，也就是分析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）。扩容的源码时候就有可能导致出现环形链表，造成死循环。分析

       resize方法的源码源码：

//newCapacity为新的容量voidresize(intnewCapacity){ //小数组，临时过度下Entry[]oldTable=table;//扩容前的分析容量intoldCapacity=oldTable.length;//MAXIMUM_CAPACITY为最大容量，2的源码次方=1<<if(oldCapacity==MAXIMUM_CAPACITY){ //容量调整为Integer的最大值0x7fffffff（十六进制）=2的次方-1threshold=Integer.MAX_VALUE;return;}//初始化一个新的数组（大容量）Entry[]newTable=newEntry[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。

voidtransfer(Entry[]newTable,booleanrehash){ //新的容量intnewCapacity=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hashif(rehash){ e.hash=null==e.key?0:hash(e.key);}//根据大数组的容量，和键的book小说源码hash计算元素在数组中的下标inti=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。爱情记录源码

       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是牛牛棋盘源码线程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，怎么刷源码但此时，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，JDK8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。

、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：

finalVputVal(inthash,Kkey,Vvalue,booleanonlyIfAbsent,booleanevict){ Node<K,V>[]tab;Node<K,V>p;intn,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;Kk;//步骤③：节点key存在，直接覆盖valueif(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elseif(pinstanceofTreeNode)e=((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,tab,hash,key,value);//步骤⑤：该链为链表else{ for(intbinCount=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)//-1for1sttreeifyBin(tab,hash);break;}//key已经存在直接覆盖valueif(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){ //existingmappingforkeyVoldValue=e.value;if(!onlyIfAbsent||oldValue==null)e.value=value;afterNodeAccess(e);returnoldValue;}}++modCount;//步骤⑦：超过最大容量就扩容if(++size>threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);returnnull;}

       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。

、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：

finalNode<K,V>[]resize(){ Node<K,V>[]oldTab=table;intoldCap=(oldTab==null)?0:oldTab.length;intoldThr=threshold;intnewCap,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;returnoldTab;}//没超过最大值，就扩充为原来的2倍elseif((newCap=oldCap<<1)<MAXIMUM_CAPACITY&&oldCap>=DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr=oldThr<<1;//doublethreshold}elseif(oldThr>0)//initialcapacitywasplacedinthresholdnewCap=oldThr;else{ //zeroinitialthresholdsignifiesusingdefaultsnewCap=DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr=(int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR*DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}//计算新的resize上限if(newThr==0){ floatft=(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>[])newNode[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。

       为了便于大家更系统化地学习Java，二哥已经将《Java程序员进阶之路》专栏开源到GitHub上了，大家只需轻轻地star一下，就可以和所有的小伙伴一起打怪升级了。

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