京东一面：为什么 HashMap 是线程不安全的？
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2021-09-27 12:42
这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 58 篇，我们来聊聊为什么 HashMap 是线程不安全的。
为了便于大家更系统化地学习 Java，二哥已经将《Java 程序员进阶之路》专栏开源到 GitHub 上了，大家只需轻轻地 star 一下，就可以和所有的小伙伴一起打怪升级了。
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01、多线程下扩容会死循环
众所周知，HashMap 是通过拉链法来解决哈希冲突的，也就是当哈希冲突时，会将相同哈希值的键值对通过链表的形式存放起来。
JDK 7 时，采用的是头部插入的方式来存放链表的，也就是下一个冲突的键值对会放在上一个键值对的前面（同一位置上的新元素被放在链表的头部）。扩容的时候就有可能导致出现环形链表，造成死循环。
resize 方法的源码：
// newCapacity为新的容量
void resize(int newCapacity) {
// 小数组，临时过度下
Entry[] oldTable = table;
// 扩容前的容量
int oldCapacity = oldTable.length;
// MAXIMUM_CAPACITY 为最大容量，2 的 30 次方 = 1<<30
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
// 容量调整为 Integer 的最大值 0x7fffffff（十六进制）=2 的 31 次方-1
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
// 初始化一个新的数组（大容量）
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
// 把小数组的元素转移到大数组中
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
// 引用新的大数组
table = newTable;
// 重新计算阈值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
transfer 方法用来转移，将小数组的元素拷贝到新的数组中。
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
// 新的容量
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历小数组
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
// 拉链法，相同 key 上的不同值
Entry<K,V> next = e.next;
// 是否需要重新计算 hash
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
// 根据大数组的容量，和键的 hash 计算元素在数组中的下标
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
// 同一位置上的新元素被放在链表的头部
e.next = newTable[i];
// 放在新的数组上
newTable[i] = e;
// 链表上的下一个元素
e = next;
}
}
}
注意 e.next = newTable[i] 和 newTable[i] = e 这两行代码，就会将同一位置上的新元素被放在链表的头部。
扩容前的样子假如是下面这样子。
那么正常扩容后就是下面这样子。
假设现在有两个线程同时进行扩容，线程 A 在执行到 newTable[i] = e; 被挂起，此时线程 A 中：e=3、next=7、e.next=null
线程 B 开始执行，并且完成了数据转移。
此时，7 的 next 为 3，3 的 next 为 null。
随后线程A获得CPU时间片继续执行 newTable[i] = e，将3放入新数组对应的位置，执行完此轮循环后线程A的情况如下：
执行下一轮循环，此时 e=7，原本线程 A 中 7 的 next 为 5，但由于 table 是线程 A 和线程 B 共享的，而线程 B 顺利执行完后，7 的 next 变成了 3，那么此时线程 A 中，7 的 next 也为 3 了。
采用头部插入的方式，变成了下面这样子：
好像也没什么问题，此时 next = 3，e = 3。
进行下一轮循环，但此时，由于线程 B 将 3 的 next 变为了 null，所以此轮循环应该是最后一轮了。
接下来当执行完 e.next=newTable[i] 即 3.next=7 后，3 和 7 之间就相互链接了，执行完 newTable[i]=e 后，3 被头插法重新插入到链表中，执行结果如下图所示：
套娃开始，元素 5 也就成了弃婴，惨~~~
不过，JDK 8 时已经修复了这个问题，扩容时会保持链表原来的顺序，参照HashMap 扩容机制的这一篇。
02、多线程下 put 会导致元素丢失
正常情况下，当发生哈希冲突时，HashMap 是这样的：
但多线程同时执行 put 操作时，如果计算出来的索引位置是相同的，那会造成前一个 key 被后一个 key 覆盖，从而导致元素的丢失。
put 的源码：
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 步骤①：tab为空则创建
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 步骤②：计算index，并对null做处理
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 步骤③：节点key存在，直接覆盖value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 步骤④：判断该链为红黑树
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 步骤⑤：该链为链表
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key已经存在直接覆盖value
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 步骤⑥、直接覆盖
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 步骤⑦：超过最大容量 就扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
问题发生在步骤 ② 这里：
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
两个线程都执行了 if 语句，假设线程 A 先执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：
接着，线程 B 执行了 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)，那 table 是这样的：
3 被干掉了。
03、put 和 get 并发时会导致 get 到 null
线程 A 执行put时，因为元素个数超出阈值而出现扩容，线程B 此时执行get，有可能导致这个问题。
注意来看 resize 源码：
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) {
// 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 没超过最大值，就扩充为原来的2倍
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);
}
// 计算新的resize上限
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;
}
线程 A 执行完 table = newTab 之后，线程 B 中的 table 此时也发生了变化，此时去 get 的时候当然会 get 到 null 了，因为元素还没有转移。
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