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HashMap为何线程不安全

HashMap为何线程不安全

作者: 手打丸子 | 来源:发表于2019-01-23 19:22 被阅读0次

    只有JAVA8的环境,就看8的吧

    欢迎评论,如果写的不好,我优化

    首先来个试验:

    try {
                List<Integer> list1 = new ArrayList();
                HashMap<Integer,Integer> map = new HashMap<>();
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    list1.add(i);
                }
                list1.parallelStream().forEach(
                        i -> {
                            try {
                                map.put(i,i);
                            }catch (Exception e){
                                System.out.println(e);
                            }
                        }
                );
                System.out.println("size of map:" + map.size());
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e);
            }
    
    size of map:932
    

    少了好几个值,确实不安全

    我们来看看内部实现,点开HashMap类:

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

    JAVA8开始,HashMap内部使用的是一个Node对象,所以你塞进去的每个K、V键值对都会生成一个Node对象,并且Node对象有next可以指向下一个对象,串联起来,这样就避免了使用List去管理同一个hash桶中的多个对象;

    我们来看看put方法,往下点两层到putVal

    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)
                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;
        }
    

    哦呦,眼花缭乱
    来,耐着性子一点点看

    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                n = (tab = resize()).length;
    

    table为null或者长度为0,就调resize初始化一下,待会我们再来看resize;
    并发下,可能初始化多遍;

    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    

    用&符号取模后发现这个hash槽位是空的,那直接把这个node放到这个槽位即可;
    并发下,两个线程的值可能相互覆盖,最终只保留到了一个值;
    这里顺便提一下取模操作,n是hash捅目前的长度,二进制下一定是100000,减1后就是11111,和当前key值的hash值做&就是hash对n取余;用这种方式的目的就是效率高;

    来看看这个槽位不是null的时候咋搞:

    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;
                }
            }
    

    使用了一个Node<K,V> e,p就是当前槽位的Node
    第一个if:如果传进来的key值和当前槽位的key值相等,e指向当前槽位的Node
    第二个else if:如果是个TreeNode,这个是基于红黑树的Node,这个时候就不是串联了,需要调用putTreeVal来把当前的key和value挂上去,红黑树node我们就不深入了,有兴趣自己去看;一般使用好像并不会插入TreeNodeTreeNode是给LinkedHashMap使用的;
    第三个else:过来的key值和当前槽位key值不一样,只是恰巧八字比较合,hash冲突了,大家在一个槽位,那样就一个个node.next遍历,挂到最后面去;
    最后:计算些其他有用的变量,比如size要和threshold比较,超过就要扩容(threshold=数组长度*loadFactor控制最大元素数量,loadFactor默认0.75)

    上述各个变量都没有锁,判空、赋值所有的运算都不安全,多线程操作各个环节都可能出问题

    然后我们来看看扩容:

    final Node<K,V>[] resize() {
            Node<K,V>[] oldTab = table;
            int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
            int oldThr = threshold;
            int newCap, newThr = 0;
            if (oldCap > 0) {
                if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                    return oldTab;
                }
                else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                         oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                    newThr = oldThr << 1; // double threshold
            }
            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);
            }
            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<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
            if (oldTab != null) {
                for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                    Node<K,V> 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<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                        else { // preserve order
                            Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                            Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                            Node<K,V> 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;
        }
    

    很长~~~~~~~~~~~~~~~~~
    返回的就是一个Node<K,V>[]数组
    扩容提是通过newCap = oldCap << 1newThr = oldThr << 1; // double threshold来实现容量计算的,扩大两倍;其中cap控制数组长度,threshold控制最大的Node数量
    然后新建一个数组Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    接下来就要一个个从老的数组里读取元素,然后重新hash,重新塞一遍,非常耗性能;所以,如果一开始就能预估出有多少数据,在初始化的时候就指定数量public HashMap(int initialCapacity)
    通过(e.hash & oldCap) == 0来判断元素应该属于高区还是低区
    比如oldCap==100==4, newCap=100<<1=1000==8原来塞的时候是e.hash是1001,1001 & 1==1塞在第一个槽位,那么1001&100==0就塞回原位,与1001&(1000-1)=1塞在1是一样的;而另外一个e.hash=10101&100=101,就要塞(1+100)到高位去了,和10101&(1000-1)=101算出来是一样的;看,数学多奇妙;这里其实就是到高位后111中把第一个1取出来,分一下高低位就可以,但是大大优化了效率;

    这里有个可能发生的死循环(resize后进行get操作),如果两个线程同时扩容,又同时创建了两个新数组,那么在某个槽位,移动同一批Node的时候,比如有个三四个Node分别是a、b、c,上面这个循环是通过e=e.next+loTail.next = e来循环读的,本来线程1的loTail已经移动到b了,后面继续挂个c就完美收官了,这个时候线程2把e突然替换成了a,然后就loTail.next=a,这样a.next=b,b.next=a;下次你get的时候,就在b和a之间绕不出来了;game over;

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