HashMap为什么线程不安全

HashMap为什么线程不安全
原文:HashMap为什么线程不安全

总结

HashMap没有使用sychronized同步关键字,在添加数据put()时,无法做到线程同步,当多个线程在插入数据时,如果发生了哈希碰撞,可能会造成数据的丢失;在扩容resize()时,也无法做到线程同步,当多个线程同时开启扩容,会各自生成新的数组进行拷贝扩容,最终结果只有一个新数组被赋值给table变量,其他的线程均会丢失。

HashMap的底层存储结构:

HashMap底层是一个Entry数组,一旦发生Hash冲突的的时候,HashMap采用拉链法解决碰撞冲突,Entry内部的变量:

final Object key;  
Object value;  
Entry next;  
int hash;  

通过Entry内部的next变量可以知道使用的是链表,这时候我们可以知道,如果多个线程,在某一时刻同时操作HashMap并执行put操作,而有大于两个key的hash值相同,如图中a1、a2,这个时候需要解决碰撞冲突,而解决冲突的办法上面已经说过,对于链表的结构在这里不再赘述,暂且不讨论是从链表头部插入还是从尾部初入,这个时候两个线程如果恰好都取到了对应位置的头结点e1,而最终的结果可想而知,a1、a2两个数据中势必会有一个会丢失,如图所示:

HashMap为什么线程不安全_第1张图片
image

再来看下put方法,put方法不是同步的

//V java.util.HashMap.putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    HashMap.Node[] tab; HashMap.Node p; int n, i;
    // 1.如果table为空或者长度为0,即没有元素,那么使用resize()方法扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 2.计算插入存储的数组索引i,此处计算方法同 1.7 中的indexFor()方法
    // 如果数组为空,即不存在Hash冲突,则直接插入数组
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 3.插入时,如果发生Hash冲突,则依次往下判断
    else {
        HashMap.Node e; K k;
        // a.判断table[i]的元素的key是否与需要插入的key一样,若相同则直接用新的value覆盖掉旧的value
        // 判断原则equals() - 所以需要当key的对象重写该方法
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // b.继续判断:需要插入的数据结构是红黑树还是链表
        // 如果是红黑树,则直接在树中插入 or 更新键值对
        else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
            e = ((HashMap.TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 如果是链表,则在链表中插入 or 更新键值对
        else {
            // i .遍历table[i],判断key是否已存在:采用equals对比当前遍历结点的key与需要插入数据的key
            //    如果存在相同的,则直接覆盖
            // ii.遍历完毕后任务发现上述情况,则直接在链表尾部插入数据
            //    插入完成后判断链表长度是否 > 8:若是,则把链表转换成红黑树
            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;
            }
        }
        // 对于i 情况的后续操作:发现key已存在,直接用新value覆盖旧value&返回旧value
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 插入成功后,判断实际存在的键值对数量size > 最大容量
    // 如果大于则进行扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入成功时会调用的方法(默认实现为空)
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

图片简单总结为:


HashMap为什么线程不安全_第2张图片
HashMap的put方法的具体流程

HashMap存在扩容的情况,对应的方法为HashMap中的resize方法:

//Node[] java.util.HashMap.resize()
/**
 * 该函数有2中使用情况:1.初始化哈希表;2.当前数组容量过小,需要扩容
 */
final Node[] resize() {
    Node[] oldTab = table;// 扩容前的数组(当前数组)
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;// 扩容前的数组容量(数组长度)
    int oldThr = threshold;// 扩容前数组的阈值
    int newCap, newThr = 0;

    if (oldCap > 0) {
        // 针对情况2:若扩容前的数组容量超过最大值,则不再扩容
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 针对情况2:若没有超过最大值,就扩容为原来的2倍(左移1位)
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }

    // 针对情况1:初始化哈希表(采用指定或者使用默认值的方式)
    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[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 把每一个bucket都移动到新的bucket中去
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node loHead = null, loTail = null;
                    Node hiHead = null, hiTail = null;
                    Node next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

可以看到扩容方法也不是同步的,通过代码我们知道在扩容过程中,会新生成一个新的容量的数组newTab,然后对原数组oldTab 的所有键值对重新进行计算和写入新的数组,之后指向新生成的数组newTab。

当多个线程同时检测到总数量超过门限值的时候就会同时调用resize操作,各自生成新的数组并rehash后赋给该map底层的数组table,结果最终只有最后一个线程生成的新数组被赋给table变量,其他线程的均会丢失。而且当某些线程已经完成赋值而其他线程刚开始的时候,就会用已经被赋值的table作为原始数组,这样也会有问题。

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