HashMap扩容死循环问题解析

一、问题和背景

昨天面试腾讯被问到了HashMap为什么线程不安全，多线程下会有哪些线程不安全的情况，记忆中隐约记得有个扩容链表成环的问题，但是问到为什么，怎么解决的，JDK1.8对这个问题有做出相关优化吗，gg了，不会。为自己点了一首凉凉。

二、源码解读

今天特意上网搜了一下答案，看到两篇博客觉得写得很有道理，深入浅出HashMap扩容死循环问题 和 JDK1.7和JDK1.8中HashMap为什么是线程不安全的？下面记录了一下学习过程和自己的理解。

当插入一个新的键值对时，会先根据 key 对 HashMap底层数组长度取模，得到键值对应该存放的数组下标，然后调用 addEntry()函数把这个键值对插入到这个下标所在的链表中

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    if (size++ >= threshold)        // 如果键值对个数超过了HashMap当前容量的阈值
        resize(2 * table.length);    // 调用resize()函数进行扩容
}

在这个 addEntry() 函数中，会判断键值对个数是否超过了HashMap当前容量的阈值，如果超过了，则说明需要扩容，接下来就调用 resize() 函数扩容为原来的两倍。

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];  // 创建一个新数组
    transfer(newTable);        // 把老数组中的所有键值对都拷贝到新数组中
    table = newTable;        // 修改老数组的指向，把老数组指向新数组，完成扩容
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

resize()函数会先创建一个新数组，然后调用 transfer() 函数把老数组中的所有键值对都拷贝到新数组中，最后修改老数组的指向，把老数组指向新数组，完成扩容。

扩容过程中会出现循环链表的情况就是多个线程在执行 transfer() 函数导致的，下面看看 transfer() 函数的代码

void transfer(Entry[] newTable) {
    Entry[] src = table;        // 老数组
    int newCapacity = newTable.length;     // 新数组的长度
    for (int j = 0; j < src.length; j++) // 遍历老数组，把老数组中所有键值对拷贝到新数组
        Entry<K,V> e = src[j];    // 记录下老数组第 j 个链表，接下来会链表上的键值对都拷贝到新数组
        if (e != null) {        // 如果链表不为空才需要拷贝
            src[j] = null;        // 先老数组第j个链表置为空链表
            do {                // 循环遍历刚才记录下来的链表，把所有键值对都采用头插法插入到新数组对应链表
                Entry<K,V> next = e.next;        // 记录下当前结点的下个结点
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);    // 求出该键值对在新数组的下标,即该键值对应该被插入到新数组第几个链表
                e.next = newTable[i];    // 把结点的next指针指向新数组的第i个链表头结点
                newTable[i] = e;    // 新数组第i个链表的头结点前移，指向当前结点
                e = next;        // 把指向当前结点的指针后移
            } while (e != null);
        }
    }
}

其中最关键的就是其中的 do while()循环，这里面就是会发生循环链表的代码。下面再贴一遍代码

do {                // 循环遍历刚才记录下来的链表，把所有键值对都采用头插法插入到新数组对应链表
    Entry<K,V> next = e.next;        // 记录下当前结点的下个结点
    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);    // 求出该键值对在新数组的下标,即该键值对应该被插入到新数组第几个链表
    e.next = newTable[i];    // 把结点的next指针指向新数组的第i个链表头结点
    newTable[i] = e;    // 新数组第i个链表的头结点前移，指向当前结点
    e = next;        // 把指向当前结点的指针后移
} while (e != null);

现在先走一遍正常扩容的流程,假设有下面这个HashMap, 假设数组大小为2

现在需要对它进行扩容，扩容后数组大小为原来的两倍，创建一个大小为4的数组

假设a、b两个数扩容后刚好又hash冲突了，即又在同一个链表中，所在下标为3；c在下标为1的链表中。下面开始扩容。

e指针指向了老数组的第1个链表

执行上面的do while循环，第一轮循环：

第二轮循环：

第三轮也是最后一轮循环，前面已经假设结点 c 将在新数组中的第二个链表

至此，老数组中的健值对已全部拷贝到新数组中

多线程环境中扩容

假设在第 二 次循环中的第二步（执行完e.next = newTable[i]；）后当前线程的时间片刚好用完了，当前线程被挂起，这时刚好又有一个线程 P2 也来执行扩容操作，它并不会从第二步开始执行，而是重新从第一步开始执行，加入新线程后的扩容图为

可以看到，线程2扩容之后的newTable中的单链表形成了一个环，后续执行get操作的时候，会触发死循环，引起CPU的100%问题。

四.总结

通过解读HashMap源码并结合实例可以发现，HashMap扩容导致死循环的主要原因在于扩容过程中使用头插法将oldTable中的单链表中的节点插入到newTable的单链表中，所以newTable中的单链表会倒置oldTable中的单链表。那么在多个线程同时扩容的情况下就可能导致扩容后的HashMap中存在一个有环的单链表，从而导致后续执行get操作的时候，会触发死循环，引起CPU的100%问题。所以一定要避免在并发环境下使用HashMap。

再次回到面试回忆中

后面还问到除了成环，线程不安全还会导致什么情况发生，也不会，再次gg, 此时，不禁想问：您看我还有机会吗？

没机会了，今天官网状态已经变灰了，彻底凉凉了。这真是个让人感到悲伤的故事。

参考：

Cyc2018

深入浅出HashMap扩容死循环问题 

JDK1.7和JDK1.8中HashMap为什么是线程不安全的？