HashMap 为什么线程不安全？

1.jdk1.7中的HashMap

• 1.1 扩容造成死循环分析过程
• 1.2 扩容造成数据丢失分析过程

2.jdk1.8中HashMap

总结

前言：我们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

publicclassHashMapTest{

publicstaticvoidmain(String[]args){
HashMapThreadthread0=newHashMapThread();
HashMapThreadthread1=newHashMapThread();
HashMapThreadthread2=newHashMapThread();
HashMapThreadthread3=newHashMapThread();
HashMapThreadthread4=newHashMapThread();
thread0.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
thread4.start();
}
}

classHashMapThreadextendsThread{
privatestaticAtomicIntegerai=newAtomicInteger();
privatestaticMap<Integer,Integer>map=newHashMap<>();

@Override
publicvoidrun(){
while(ai.get()<1000000){
map.put(ai.get(),ai.get());
ai.incrementAndGet();
}
}
}

上述代码比较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。在多运行几次该代码后，出现如下死循环情形：

其中有几次还会出现数组越界的情况：

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在transfer函数中，jdk1.7中HashMap的transfer函数如下：

voidtransfer(Entry[]newTable,booleanrehash){
intnewCapacity=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);
}
inti=indexFor(e.hash,newCapacity);
e.next=newTable[i];
newTable[i]=e;
e=next;
}
}
}

总结下该函数的主要作用：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。下面进行详细分析。

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件：

这里假设

#1.hash算法为简单的用key mod链表的大小。

#2.最开始hash表size=2，key=3,7,5，则都在table[1]中。

#3.然后进行resize，使size变成4。

未resize前的数据结构如下：

如果在单线程环境下，最后的结果如下：

这里的转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下，假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第11行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。

此时线程A中运行结果如下：

线程A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：

这里需要特别注意的点：由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此时切换到线程A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e---->newTable[3]=3
e=next---->e=7

此时结果如下：

继续循环：

e=7
next=e.next---->next=3【从主存中取值】
e.next=newTable[3]---->e.next=3【从主存中取值】
newTable[3]=e---->newTable[3]=7
e=next---->e=3

结果如下：

再次进行循环：

e=3
next=e.next---->next=null
e.next=newTable[3]---->e.next=7即：3.next=7
newTable[3]=e---->newTable[3]=3
e=next---->e=null

注意此次循环：e.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

结果如下：

在后续操作中只要涉及轮询hashmap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。

1.2 扩容造成数据丢失分析过程

遵照上述分析过程，初始时：

线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

此时线程A的运行结果如下：

此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

同样注意由于线程B执行完成，newTable和table都为最新值：5.next=null。

此时切换到线程A，在线程A挂起时：e=7，next=5，newTable[3]=null。

执行newtable[i]=e，就将**7放在了table[3]**的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5
next=e.next---->next=null，从主存中取值
e.next=newTable[1]---->e.next=5，从主存中取值
newTable[1]=e---->newTable[1]=5
e=next---->e=null

将5放置在table[1]位置，此时e=null循环结束，3元素丢失，并形成环形链表。并在后续操作hashmap时造成死循环。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全，这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

finalVputVal(inthash,Kkey,Vvalue,booleanonlyIfAbsent,
booleanevict){
Node<K,V>[]tab;Node<K,V>p;intn,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;Kk;
if(p.hash==hash&&
((k=p.key)==key||(key!=null&&key.equals(k))))
e=p;
elseif(pinstanceofTreeNode)
e=((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,tab,hash,key,value);
else{
for(intbinCount=0;;++binCount){
if((e=p.next)==null){
p.next=newNode(hash,key,value,null);
if(binCount>=TREEIFY_THRESHOLD-1)//-1for1st
treeifyBin(tab,hash);
break;
}
if(e.hash==hash&&
((k=e.key)==key||(key!=null&&key.equals(k))))
break;
p=e;
}
}
if(e!=null){//existingmappingforkey
VoldValue=e.value;
if(!onlyIfAbsent||oldValue==null)
e.value=value;
afterNodeAccess(e);
returnoldValue;
}
}
++modCount;
if(++size>threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
returnnull;
}

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数， 注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。如果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。假设一种情况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给覆盖，发生线程不安全。

这里只是简要分析下jdk1.8中HashMap出现的线程不安全问题的体现，后续将会对java的集合框架进行总结，到时再进行具体分析。

总结

首先HashMap是线程不安全的，其主要体现：

#1.在jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。

#2.在jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。