HashMap为什么是线程不安全的？

时间：2020-09-04 22:42:36 阅读：68 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

前言

大家都知道HashMap是线程不安全的，我们应该使用ConcurrentHashMap。但是为什么HashMap是线程不安全的呢，今天就一起来探讨这个问题。

注意

HashMap的线程不安全体现在会造成死循环、数据丢失、数据覆盖这些问题。其中死循环和数据丢失是在JDK1.7中出现的问题，在JDK1.8中已经得到解决，然而1.8中仍会有数据覆盖这样的问题。

扩容引发的线程不安全

HashMap的线程不安全主要是发生在扩容函数中，即根源是在transfer函数中，JDK1.7中HashMap的transfer函数如下：

JDK1.7中的线程不安全

 1 void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
 2         int newCapacity = newTable.length;
 3         for (Entry<K,V> e : table) {
 4             while(null != e) {
 5                 Entry<K,V> next = e.next;
 6                 if (rehash) {
 7                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
 8                 }
 9                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
10                 e.next = newTable[i];
11                 newTable[i] = e;
12                 e = next;
13             }
14         }
15     }

这段代码是HashMap的扩容操作，重新定位每个桶的下标，并采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转，这也是形成死循环的关键点。理解了头插法后再继续往下看是如何造成死循环以及数据丢失的。

扩容造成死循环和数据丢失的分析过程

假设现在有两个线程A、B同时对下面这个HashMap进行扩容操作：

正常扩容后的结果是下面这样的：

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但是当线程A执行到上面transfer函数的第11行代码时，CPU时间片耗尽，线程A被挂起。即如下图中位置所示：

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此时线程A中：e=3、next=7、e.next=null

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接着继续执行下一轮循环，此时e=7，从主内存中读取e.next时发现主内存中7.next=3，于是乎next=3，并将7采用头插法的方式放入新数组中，并继续执行完此轮循环，结果如下：

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执行下一次循环可以发现，next=e.next=null，所以此轮循环将会是最后一轮循环。接下来当执行完e.next=newTable[i]即3.next=7后，3和7之间就相互连接了，当执行完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：

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上面说了此时e.next=null即next=null，当执行完e=null后，将不会进行下一轮循环。到此线程A、B的扩容操作完成，很明显当线程A执行完后，HashMap中出现了环形结构，当在以后对该HashMap进行操作时会出现死循环。

并且从上图可以发现，元素5在扩容期间被莫名的丢失了，这就发生了数据丢失的问题。

JDK1.8中的线程不安全

根据上面JDK1.7出现的问题，在JDK1.8中已经得到了很好的解决，如果你去阅读1.8的源码会发现找不到transfer函数，因为JDK1.8直接在resize函数中完成了数据迁移。另外说一句，JDK1.8在进行元素插入时使用的是尾插法。

为什么说JDK1.8会出现数据覆盖的情况喃，我们来看一下下面这段JDK1.8中的put操作代码：

 1 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
 2                    boolean evict) {
 3         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
 4         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
 5             n = (tab = resize()).length;
 6         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素
 7             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
 8         else {
 9             Node<K,V> e; K k;
10             if (p.hash == hash &&
11                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
12                 e = p;
13             else if (p instanceof TreeNode)
14                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
15             else {
16                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
17                     if ((e = p.next) == null) {
18                         p.next = newNode(hash, key, value, null);
19                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
20                             treeifyBin(tab, hash);
21                         break;
22                     }
23                     if (e.hash == hash &&
24                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
25                         break;
26                     p = e;
27                 }
28             }
29             if (e != null) { // existing mapping for key
30                 V oldValue = e.value;
31                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
32                     e.value = value;
33                 afterNodeAccess(e);
34                 return oldValue;
35             }
36         }
37         ++modCount;
38         if (++size > threshold)
39             resize();
40         afterNodeInsertion(evict);
41         return null;
42     }

其中第六行代码是判断是否出现hash碰撞，假设两个线程A、B都在进行put操作，并且hash函数计算出的插入下标是相同的，当线程A执行完第六行代码后由于时间片耗尽导致被挂起，而线程B得到时间片后在该下标处插入了元素，完成了正常的插入，然后线程A获得时间片，由于之前已经进行了hash碰撞的判断，所有此时不会再进行判断，而是直接进行插入，这就导致了线程B插入的数据被线程A覆盖了，从而线程不安全。

除此之前，还有就是代码的第38行处有个++size，我们这样想，还是线程A、B，这两个线程同时进行put操作时，假设当前HashMap的zise大小为10，当线程A执行到第38行代码时，从主内存中获得size的值为10后准备进行+1操作，但是由于时间片耗尽只好让出CPU，线程B快乐的拿到CPU还是从主内存中拿到size的值10进行+1操作，完成了put操作并将size=11写回主内存，然后线程A再次拿到CPU并继续执行(此时size的值仍为10)，当执行完put操作后，还是将size=11写回内存，此时，线程A、B都执行了一次put操作，但是size的值只增加了1，所有说还是由于数据覆盖又导致了线程不安全

总结

HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面：
1.在JDK1.7中，当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。
2.在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。