• 探究HashMap线性不安全(二)——链表成环的详细过程


    内容

    ​  网上很多资料都详细地讲解了HashMap底层的实现,但是讲到HashMap的并发操作不是线性安全时,往往一笔带过:在多个线程并发扩容时,会在执行transfer()方法转移键值对时,造成链表成环,导致程序在执行get操作时形成死循环

    ​  对于没有研究过该过程的童鞋,很难费解这句话的含义。下面笔者分四个小节带着大家共同研究一下JDK1.7和JDK1.8版本下HashMap的线性不安全是怎么造成的,详细探究链表成环的形成过程。如果对于HashMap底层的put、get操作不清楚,建议先学习参考1中的内容。

    适合人群

    ​  Java进阶

    说明

      转载请说明出处:探究HashMap线性不安全(二)——链表成环的详细过程

     参考

    ​ 1、https://www.toutiao.com/i6544826418210013700/ HashMap底层数据结构原理

    ​ 2、https://www.toutiao.com/i6545790064104833539/ 为什么HashMap非线程安全

    ​ 3、https://blog.csdn.net/qq_32182461/article/details/81152025 hashmap并发情况下的成环原因(笔者认为该文是一种误解)

    正文

    ​  本节将详细探究HashMap扩容的键值对迁移过程,多线程并发执行transfer()方法是如何产生环形链表的。transfer()方法的代码为:

     1 void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
     2     int newCapacity = newTable.length;
     3     //遍历table数组中键值对链
     4     for (Entry<K,V> e : table) {
     5         //遍历键值对e链上的所有键值对,当e指向null时结束
     6         while(null != e) {
     7             Entry<K,V> next = e.next;//断点一
     8             //通常rehash为false,不会重新计算键值对key的hash值
     9             if (rehash) {
    10                 e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
    11             }
    12             //根据扩容后的table数组长度计算键值对的index
    13             int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    14             //头插法,将后遍历的键值对存到链条的头部
    15             e.next = newTable[i];
    16             newTable[i] = e;
    17             //链条中的下一个键值对继续执行while循环。
    18             e = next;
    19         }
    20     }
    21 }

     情景:

    ​  两个线程A、B同时向HashMap中写入键值对,某个时刻HashMap已经到了Resize的临界点。由于多线程的执行没有必然的先后顺序,存在线程A未完成扩容,而线程B又进行扩容的情况,即两个线程都可能会执行扩容方法transfer()。此时两个线程都会遍历table数组中的键值对链,对于每个链执行while循环,迁移所有键值对。

    1538206946728

      假定HashMap中table数组的初始长度为4

    ​  假如线程A和线程B都遍历到index为2的键值链(即Entry3->Entry2->null这条链)。由于CPU时间片分配的不确定性,线程B执行到代码中断点一的位置后暂停,此时线程B中的e指向Entry3,e.next指向Entry2。而线程A继续执行,完成了扩容操作。HashMap的数据结构为下图所示。

    1538212067957

    ​  重点!!:e和e.next为线程B中的引用变量,分别指向hashMap中的Entry3和Entry2。由于Entry3和Entry2是线程共享的,因此受线程A执行的影响,Entry3将指向null,Entry2指向Entry3

    ​  此时线程B中局部变量newTable的结构:

    1538216168524

    执行第一次循环:e为Entry3,e.next为Entry2(线程B暂停前e和e.next引用变量的指向)

     1 //遍历e所在链上的所有键值对
     2 while(null != e) {
     3     //断点1,此时线程B中的e为Entry3,e.next为Entry2
     4     Entry<K,V> next = e.next;
     5     //通常rehash为false,不会重新计算键值对key的hash值
     6     if (rehash) {
     7         e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
     8     }
     9     //根据扩容后的table数组长度计算键值对的index
    10     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    11     //头插法
    12     e.next = newTable[i];//将Entry3的next设置为null
    13     newTable[i] = e;//将Entry3放置到线程B newTable下标为3的位置
    14     //继续处理Entry2
    15     e = next;
    16 }

     执行完第一次循环后线程B中局部变量newTable的结构:

    1538210103080

    执行完第一次循环后hashMap对象的结构:

    1538212858020

    执行第二次循环:e为Entry2,e.next为Entry3(受线程A影响,e和e.next引用变量的指向发生改变)

     1 //遍历键值对e链上的所有键值对
     2 while(null != e) {
     3     //断点1,e为Entry2,e.next为Entry3
     4     Entry<K,V> next = e.next;
     5     //通常rehash为false,不会重新计算键值对key的hash值
     6     if (rehash) {
     7         e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
     8     }
     9     //由线程A的执行结果可知,Entry2的index也为3
    10     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    11     //头插法,
    12     e.next = newTable[i];//将Entry2的next设置为Entry3
    13     newTable[i] = e; //newTable[3]设置为Entry2
    14     //另e等于Entry3,继续执行while循环。
    15     e = next;
    16 }

    执行完第二次循环后线程B中局部变量newTable的结构:

    1538213198238

    执行完第二次循环后hashMap对象的结构:

    1538212858020[1]

    执行第三次循环:e变为Entry3,e.next为null

     1 //遍历键值对e链上的所有键值对
     2 while(null != e) {
     3     //断点1,此时线程B中的e变为Entry3,e.next为null
     4     Entry<K,V> next = e.next;
     5     //通常rehash为false,不会重新计算键值对key的hash值
     6     if (rehash) {
     7         e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
     8     }
     9     //由线程A的执行结果可知,Entry3的index为3
    10     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    11     //头插法
    12     e.next = newTable[i];//将Entry3的next设置为当前链条的首个键值对Entry2
    13     newTable[i] = e;//newTable[3]设置为Entry3
    14     //另e=next=null,结束while循环。
    15     e = next;
    16 }

    执行完第三次循环后线程B中局部变量newTable的结构:

    1538213730420

    执行完第三次循环后hashMap对象的结构:

    1538216304142

    ​  至此,线程B因为改变了Entry3的next属性,在hashMap对象中产生了环形链表。下一节,将探究环形链表是如何在hashMap查询时产生死循环的。

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