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疫苗：JAVA HASHMAP的死循环

2019年02月20日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个cpu被100%的线上故障，并且这个事发生了很多次，原因是在java语言在并发情况下使用hashmap造成race condition，从而导致死循环。这个事情我4、5年前也经历过，本来觉得没什么好写的，因为java的hashmap是非线程安全的，所以在并发下必然出现问题。但是，我发现近几年，很多人都经历过这个事（在网上查“hashmap infinite loop”可以看到很多人都在说这个事）所以，觉得这个是个普遍问题，需要写篇疫苗文章说一下这个事，并且给大家看看一个完美的“race condition”是怎么形成的。

问题的症状

从前我们的java代码因为一些原因使用了hashmap这个东西，但是当时的程序是单线程的，一切都没有问题。后来，我们的程序性能有问题，所以需要变成多线程的，于是，变成多线程后到了线上，发现程序经常占了100%的cpu，查看堆栈，你会发现程序都hang在了hashmap.get()这个方法上了，重启程序后问题消失。但是过段时间又会来。而且，这个问题在测试环境里可能很难重现。

我们简单的看一下我们自己的代码，我们就知道hashmap被多个线程操作。而java的文档说hashmap是非线程安全的，应该用concurrenthashmap。

但是在这里我们可以来研究一下原因。

 

hash表数据结构

我需要简单地说一下hashmap这个经典的数据结构。

hashmap通常会用一个指针数组（假设为table[]）来做分散所有的key，当一个key被加入时，会通过hash算法通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个<key, value>插到table[i]中，如果有两个不同的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table[i]上形成一个链表。

我们知道，如果table[]的尺寸很小，比如只有2个，如果要放进10个keys的话，那么碰撞非常频繁，于是一个o(1)的查找算法，就变成了链表遍历，性能变成了o(n)，这是hash表的缺陷（可参看《hash collision dos 问题》）。

所以，hash表的尺寸和容量非常的重要。一般来说，hash表这个容器当有数据要插入时，都会检查容量有没有超过设定的thredhold，如果超过，需要增大hash表的尺寸，但是这样一来，整个hash表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash，这个成本相当的大。

相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。

hashmap的rehash源代码

下面，我们来看一下java的hashmap的源代码。

put一个key,value对到hash表中：

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public v put(k key, v value)

{

    ......

    //算hash值

    int hash = hash(key.hashcode());

    int i = indexfor(hash, table.length);

    //如果该key已被插入，则替换掉旧的value （链接操作）

    for (entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {

        object k;

        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

            v oldvalue = e.value;

            e.value = value;

            e.recordaccess(this);

            return oldvalue;

        }

    }

    modcount++;

    //该key不存在，需要增加一个结点

    addentry(hash, key, value, i);

    return null;

}

检查容量是否超标

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void addentry(int hash, k key, v value, int bucketindex)

{

    entry<k,v> e = table[bucketindex];

    table[bucketindex] = new entry<k,v>(hash, key, value, e);

    //查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold，如果超过，需要resize

    if (size++ >= threshold)

        resize(2 * table.length);

}

新建一个更大尺寸的hash表，然后把数据从老的hash表中迁移到新的hash表中。

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void resize(int newcapacity)

{

    entry[] oldtable = table;

    int oldcapacity = oldtable.length;

    ......

    //创建一个新的hash table

    entry[] newtable = new entry[newcapacity];

    //将old hash table上的数据迁移到new hash table上

    transfer(newtable);

    table = newtable;

    threshold = (int)(newcapacity * loadfactor);

}

迁移的源代码，注意高亮处：

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void transfer(entry[] newtable)

{

    entry[] src = table;

    int newcapacity = newtable.length;

    //下面这段代码的意思是：

    //  从oldtable里摘一个元素出来，然后放到newtable中

    for (int j = 0; j < src.length; j++) {

        entry<k,v> e = src[j];

        if (e != null) {

            src[j] = null;

            do {

                entry<k,v> next = e.next;

                int i = indexfor(e.hash, newcapacity);

                e.next = newtable[i];

                newtable[i] = e;

                e = next;

            } while (e != null);

        }

    }

}

好了，这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。

正常的rehash的过程

画了个图做了个演示。

  • 我假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小（也就是数组的长度）。
  • 最上面的是old hash 表，其中的hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5，在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。
  • 接下来的三个步骤是hash表 resize成4，然后所有的<key,value> 重新rehash的过程

并发下的rehash

1）假设我们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。

我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节：

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do {

    entry<k,v> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了

    int i = indexfor(e.hash, newcapacity);

    e.next = newtable[i];

    newtable[i] = e;

    e = next;

} while (e != null);

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

注意，因为thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)，其在线程二rehash后，指向了线程二重组后的链表。我们可以看到链表的顺序被反转后。

2）线程一被调度回来执行。

  • 先是执行 newtalbe[i] = e;
  • 然后是e = next，导致了e指向了key(7)，
  • 而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)

3）一切安好。

线程一接着工作。把key(7)摘下来，放到newtable[i]的第一个，然后把e和next往下移。

4）环形链接出现。

e.next = newtable[i] 导致  key(3).next 指向了 key(7)

注意：此时的key(7).next 已经指向了key(3)， 环形链表就这样出现了。

于是，当我们的线程一调用到，hashtable.get(11)时，悲剧就出现了——infinite loop。

其它

有人把这个问题报给了sun，不过sun不认为这个是一个问题。因为hashmap本来就不支持并发。要并发就用concurrenthashmap

我在这里把这个事情记录下来，只是为了让大家了解并体会一下并发环境下的危险。

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