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推荐:并发情况下:Java HashMap 形成死循环的原因

码代码的小司机
 码代码的小司机
发布于 06/19 23:26
字数 1696
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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:

主要是多线程同时put时,如果同时触发了rehash操作,会导致HashMap中的链表中出现循环节点,进而使得后面get的时候,会死循环。

 

 

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:

 

[java] view plain copy

  1. public V put(K key, V value)  
  2. {  
  3.     ......  
  4.     //算Hash值  
  5.     int hash = hash(key.hashCode());  
  6.     int i = indexFor(hash, table.length);  
  7.     //如果该key已被插入,则替换掉旧的value (链接操作)  
  8.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
  9.         Object k;  
  10.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
  11.             V oldValue = e.value;  
  12.             e.value = value;  
  13.             e.recordAccess(this);  
  14.             return oldValue;  
  15.         }  
  16.     }  
  17.     modCount++;  
  18.     //该key不存在,需要增加一个结点  
  19.     addEntry(hash, key, value, i);  
  20.     return null;  
  21. }  

检查容量是否超标

 

 

[java] view plain copy

  1. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)  
  2. {  
  3.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
  4.     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
  5.     //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  
  6.     if (size++ >= threshold)  
  7.         resize(2 * table.length);  
  8. }  


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。

 

 

[java] view plain copy

  1. void resize(int newCapacity)  
  2. {  
  3.     Entry[] oldTable = table;  
  4.     int oldCapacity = oldTable.length;  
  5.     ......  
  6.     //创建一个新的Hash Table  
  7.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
  8.     //将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上  
  9.     transfer(newTable);  
  10.     table = newTable;  
  11.     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
  12. }  


迁移的源代码,注意高亮处:

 

 

[java] view plain copy

  1. void transfer(Entry[] newTable)  
  2. {  
  3.     Entry[] src = table;  
  4.     int newCapacity = newTable.length;  
  5.     //下面这段代码的意思是:  
  6.     //  从OldTable里摘一个元素出来,然后放到NewTable中  
  7.     for (int j = 0; j < src.length; j++) {  
  8.         Entry<K,V> e = src[j];  
  9.         if (e != null) {  
  10.             src[j] = null;  
  11.             do {  
  12.                 Entry<K,V> next = e.next;  
  13.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
  14.                 e.next = newTable[i];  
  15.                 newTable[i] = e;  
  16.                 e = next;  
  17.             } while (e != null);  
  18.         }  
  19.     }  
  20. }  

 

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> 重新rehash的过程

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:

 

[java] view plain copy

  1. do {  
  2.     Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了  
  3.     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
  4.     e.next = newTable[i];  
  5.     newTable[i] = e;  
  6.     e = next;  
  7. } 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。

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)

3)一切安好。

线程一接着工作。把key(7)摘下来,放到newTable[i]的第一个,然后把e和next往下移

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。

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

其它

有人把这个问题报给了Sun,不过Sun不认为这个是一个问题。因为HashMap本来就不支持并发。要并发就用ConcurrentHashmap

http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457

我在这里把这个事情记录下来,只是为了让大家了解并体会一下并发环境下的危险。

参考:http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html

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评论(3)

码代码的小司机
码代码的小司机
@NickYoung 这篇文章是转载的,转载出来的原因是自己学习之后的总结
NickYoung
NickYoung

引用来自“爱吃窝窝头”的评论

并发还用hashmap,真是没事找事,这种文章还发,有意思?

@爱吃窝窝头 同意你的看法,虽然我也是阿里的,改为多线程并发业务,就不该用非线程安全集合,遇到这种问题显然还不算严重事故,看来当时这位老哥没有考虑到这些隐患,楼主这个问题分析的很不错,重温了下1.7,1.8加入了过8转为红黑树哦
爱吃窝窝头
爱吃窝窝头
并发还用hashmap,真是没事找事,这种文章还发,有意思?
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