面试突击17：HashMap除了死循环还有什么问题？

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本篇的这个问题是一个开放性问题，HashMap 除了死循环之外，还有其他什么问题？总体来说 HashMap 的所有“问题”，都是因为使用（HashMap）不当才导致的，这些问题大致可以分为两类：

1. 程序问题：比如 HashMap 在 JDK 1.7 中，并发插入时可能会发生死循环或数据覆盖的问题。
2. 业务问题：比如 HashMap 无序性造成查询结果和预期结果不相符的问题。

接下来我们一个一个来看。

1.死循环问题

死循环问题发生在 JDK 1.7 版本中，形成的原因是 JDK 1.7 HashMap 使用的是头插法，那么在并发扩容时可能就会导致死循环的问题，具体产生的过程如下流程所示。
HashMap 正常情况下的扩容实现如下图所示：

旧 HashMap 的节点会依次转移到新 HashMap 中，旧 HashMap 转移的顺序是 A、B、C，而新 HashMap 使用的是头插法，所以最终在新 HashMap 中的顺序是 C、B、A，也就是上图展示的那样。有了这些前置知识之后，咱们来看死循环是如何诞生的？

1.1 死循环执行流程一

死循环是因为并发 HashMap 扩容导致的，并发扩容的第一步，线程 T1 和线程 T2 要对 HashMap 进行扩容操作，此时 T1 和 T2 指向的是链表的头结点元素 A，而 T1 和 T2 的下一个节点，也就是 T1.next 和 T2.next 指向的是 B 节点，如下图所示：

1.2 死循环执行流程二

死循环的第二步操作是，线程 T2 时间片用完进入休眠状态，而线程 T1 开始执行扩容操作，一直到线程 T1 扩容完成后，线程 T2 才被唤醒，扩容之后的场景如下图所示：

从上图可知线程 T1 执行之后，因为是头插法，所以 HashMap 的顺序已经发生了改变，但线程 T2 对于发生的一切是不可知的，所以它的指向元素依然没变，如上图展示的那样，T2 指向的是 A 元素，T2.next 指向的节点是 B 元素。

1.3 死循环执行流程三

当线程 T1 执行完，而线程 T2 恢复执行时，死循环就建立了，如下图所示：

因为 T1 执行完扩容之后 B 节点的下一个节点是 A，而 T2 线程指向的首节点是 A，第二个节点是 B，这个顺序刚好和 T1 扩完容完之后的节点顺序是相反的。T1 执行完之后的顺序是 B 到 A，而 T2 的顺序是 A 到 B，这样 A 节点和 B 节点就形成死循环了，这就是 HashMap 死循环导致的原因。

1.4 解决方案

使用线程安全的容器来替代 HashMap，比如 ConcurrentHashMap 或 Hashtable，因为 ConcurrentHashMap 的性能远高于 Hashtable，因此推荐使用 ConcurrentHashMap 来替代 HashMap。

2.数据覆盖问题

数据覆盖问题发生在并发添加元素的场景下，它不止出现在 JDK 1.7 版本中，其他版本中也存在此问题，数据覆盖产生的流程如下：

1. 线程 T1 进行添加时，判断某个位置可以插入元素，但还没有真正的进行插入操作，自己时间片就用完了。
2. 线程 T2 也执行添加操作，并且 T2 产生的哈希值和 T1 相同，也就是 T2 即将要存储的位置和 T1 相同，因为此位置尚未插入值（T1 线程执行了一半），于是 T2 就把自己的值存入到当前位置了。
3. T1 恢复执行之后，因为非空判断已经执行完了，它感知不到此位置已经有值了，于是就把自己的值也插入到了此位置，那么 T2 的值就被覆盖了。

具体执行流程如下图所示。

2.1 数据覆盖执行流程一

线程 T1 准备将数据 k1:v1 插入到 Null 处，但还没有真正的执行，自己的时间片就用完了，进入休眠状态了，如下图所示：

2.2 数据覆盖执行流程二

线程 T2 准备将数据 k2:v2 插入到 Null 处，因为此处现在并未有值，如果此处有值的话，它会使用链式法将数据插入到下一个没值的位置上，但判断之后发现此处并未有值，那么就直接进行数据插入了，如下图所示：

2.3 数据覆盖执行流程三

线程 T2 执行完成之后，线程 T1 恢复执行，因为线程 T1 之前已经判断过此位置没值了，所以会直接插入，此时线程 T2 插入的值就被覆盖了，如下图所示：

2.4 解决方案

解决方案和第一个解决方案相同，使用 ConcurrentHashMap 来替代 HashMap 就可以解决此问题了。

3.无序性问题

这里的无序性问题指的是 HashMap 添加和查询的顺序不一致，导致程序执行的结果和程序员预期的结果不相符，如以下代码所示：

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
    System.out.println(k + "：" + v);
});

我们添加的顺序：

我们期望查询的顺序和添加的顺序是一致的，然而以上代码输出的结果却是：

执行结果和我们预期结果不相符，这就是 HashMap 的无序性问题。我们期望输出的结果是 Hello，Java 1、2、3、4、5，而得到的顺序却是 2、1、4、3、5。

解决方案

想要解决 HashMap 无序问题，我们只需要将 HashMap 替换成 LinkedHashMap 就可以了，如下代码所示：

LinkedHashMap<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
    System.out.println(k + "：" + v);
});

以上程序的执行结果如下图所示：

总结

本文演示了 3 个 HashMap 的经典问题，其中死循环和数据覆盖是发生在并发添加元素时，而无序问题是添加元素的顺序和查询的顺序不一致的问题，这些问题本质来说都是对 HashMap 使用不当才会造成的问题，比如在多线程情况下就应该使用 ConcurrentHashMap，想要保证插入顺序和查询顺序一致就应该使用 LinkedHashMap，但刚开始时我们对 HashMap 不熟悉，所以才会造成这些问题，不过了解了它们之后，就能更好的使用它和更好的应对面试了。
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是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

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