HashMap线程不安全问题以及解决方法

HashMap线程不安全问题以及解决方法

我们都知道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

先声明：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。

JDK1.7扩容造成死循环和数据丢失的分析

HashMap的线程不安全主要是发生在扩容方法中，即根源是在transfer方法中，JDK1.7中HashMap的transfer方法如下：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    
    
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) {
    
    
            while(null != e) {
    
    
                Entry<K,V> 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;
            }
        }
    }

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。

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：

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：

此时线程A中：e=3、next=7、e.next=null

当线程A的时间片耗尽后，CPU开始执行线程B，并在线程B中成功的完成了数据迁移

根据Java内存模式可知，线程B执行完数据迁移后，此时主内存中newTable和table都是最新的，也就是说：7.next=3、3.next=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：

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：

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：

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

JDK1.8出现的问题在JDK1.8中已经解决，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（顺序不会出错）。

但是JDK1.8中会出现数据覆盖的情况

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

下面从两个情况分析

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putVal方法第六行代码（判断是否出现哈希碰撞）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。
而且在putVal方法的size参数，用来判断HashMap的元素个数，在多线程下，线程A、B，这两个线程同时进行put操作时，假设当前HashMap的size大小为10，当线程A执行**size++**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。

线程不安全的解决方法

Hashtable（废弃）

HashTable为了实现多线程安全，在几乎所有的方法上都加上了synchronized锁（锁的是类的实例,也就是整个map结构），当一个线程访问 Hashtable 的同步方法时，其他线程如果也要访问同步方法，会被阻塞住。

这种方案已经不怎么使用了，所以就不在这里展开说明

Collections.synchronizedMap(一般不用)

Collections.synchronizedMap()返回一个新的Map的实现

Map<String,String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

我们在调用上面这个方法的时候就需要传入一个Map，如下图可以看到有两个构造器，如果你传入了mutex参数，则将对象排斥锁赋值为传入的对象。
如果没有，则将对象排斥锁赋值为this，即调用synchronizedMap的对象，就是上面的Map

Collections.synchronizedMap()来封装所有不安全的HashMap的方法

封装的关键点有2处
1)使用了经典的synchronized来进行互斥
2)使用了代理模式new了一个新的类，这个类同样实现了Map接口.在Hashmap上面,synchronized锁住的是对象,所以第一个申请的得到锁，其他线程将进入阻塞,等待唤醒

优点:代码实现十分简单,一看就懂

缺点:从锁的角度来看，基本上是锁住了尽可能大的代码块.性能会比较差

ConcurrentHashMap（常用）

JDK 1.7 中，采用分段锁的机制，实现并发的更新操作，底层采用数组+链表的存储结构，包括两个核心静态内部类 Segment 和 HashEntry。

①、Segment 继承 ReentrantLock（重入锁）用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶；
②、HashEntry 用来封装映射表的键-值对；
③、每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表

分段锁：Segment数组中，一个Segment对象就是一把锁,对应一个HashEntry数组,该数组中的数据同步依赖于同一把锁,不同HashEntry数组的读写互不干扰

JDK 1.8中抛弃了原有的 Segment 分段锁，来保证采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全性。取消类 Segment，直接用table 数组存储键值对；当 Node对象组成的链表长度超过TREEIFY_THRESHOLD 时，链表转换为红黑树，提升性能。底层变更为数组 + 链表 + 红黑树。

CAS性能很高，但synchronized之前一直都是重量级的锁，jdk1.8 引入了synchronized，采用锁升级的方式。

针对 synchronized 获取锁的方式，JVM 使用了锁升级的优化方式，就是先使用偏向锁优先同一线程然后再次获取锁，如果失败，就升级为 CAS 轻量级锁，如果失败就会短暂自旋，防止线程被系统挂起。最后如果以上都失败就升级为重量级锁。

偏向锁：为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行，始终只有一个线程在执行同步块，在它没有执行完释放锁之前，没有其它线程去执行同步。
轻量级锁：当有两个线程，竞争的时候就会升级为轻量级锁。引入轻量级锁的主要目的是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
重量级锁：大多数情况下，在同一时间点，常常有多个线程竞争同一把锁，悲观锁的方式，竞争失败的线程会不停的在阻塞及被唤醒态之间切换，代价比较大

由于篇幅受限，这里不展ConcurrentHashMap的源码分析，后面有时间，会把详细内容的博客补上。