HashMap在java并发中如何发生死循环

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java并发

在多线程环境中，使用HashMap进行put操作时会引起死循环，导致CPU使用接近100%，下面通过代码分析一下为什么会发生死循环。

首先先分析一下HashMap的数据结构：HashMap底层数据结构是有一个链表数据构成的，HashMap中定义了一个静态内部类作为链表，代码如下（与本文无关的代码省略）：

    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        final int hash;

        /**
         * Creates new entry.
         */
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }
、
    }

    /**
     * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
     */
    transient Entry[] table;

之所以会导致HashMap出现死循环是因为多线程会导致HashMap的Entry节点形成环链，这样当遍历集合时Entry的next节点用于不为空，从而形成死循环

单添加元素时会通过key的hash值确认链表数组下标

    public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        
        //确认链表数组位置
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        
        //如果key相同则覆盖value部分
        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++;
        //添加链表节点
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

下面看一下HashMap添加节点的实现

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
 //bucketIndex 通过key的hash值与链表数组的长度计算得出
	Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
	//创建链表节点      
  table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
  
  //判断是否需要扩容
  if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
}

以上部分的实现不会导致链路出现环链，环链一般会出现HashMap扩容是，下面看看扩容的实现:

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        
        transfer(newTable);//可能导致环链
        
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

下面transfer的实现

    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        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);
            }
        }
    }

这个方法的目的是将原链表数据的数组拷到新的链表数组中，拷贝过程中如果形成环链的呢？下面用一个简单的例子来说明一下：

public class InfiniteLoop {

    static final Map<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>(2, 0.75f);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        map.put(5, 55);

        new Thread("Thread1") {
            public void run() {
                map.put(7, 77);
                System.out.println(map);
            };
        }.start();

        new Thread("Thread2") {
            public void run() {
                map.put(3, 33);
                System.out.println(map);
            };
        }.start();

    }

}

下面通过debug跟踪调试来看看如果导致HashMap形成环链，断点位置：

线程1的put操作
线程2的put操作
线程2的输出操作
HashMap源码transfer方法中的第一行、第六行、第九行

测试开始

使线程1进入transfer方法第一行，此时map的结构如下

2. 使线程2进入transfer方法第一行,此时map的结构如下：

3.接着切换回线程1，执行到transfer的第六行，此时map的结构如下：

4.然后切换回线程2使其执行到transfer方法的第六行，此时map的结够如上

5.接着切换回线程1使其执行到transfer方法的第九行，然后切换回线程2使其执行完，此时map的结构如下：

6.切换回线程1执行循环，因为线程1之前是停在HashMap的transfer方法的第九行处，所以此时transfer方法的节点e的key=3，e.next的key=7

void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        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);//线程1等线程2执行结束后
                                                          //从此处开始执行
                                                          //此时e的key=3,e.next.key=7
                                                          //但是此时的e.next.next的key=3了
                                                          //（被线程2修改了）
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
}

下面线程1开始执行第一次循环，循环后的map结构如下：