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日志

 
 

HashMap 死循环的探究  

2012-03-01 11:37:32|  分类: Java |  标签: |举报 |字号 订阅

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 本文受http://pt.alibaba-inc.com/wp/dev_related_969/hashmap-result-in-improper-use-cpu-100-of-the-problem-investigated.html 的启发,引用了其中的思想,对此表示感谢。

         来到杭州实习有一段日子了,很长时间都没有更新博客了,前几天,闲来无事,随便翻了一本书,毕玄的《分布式JAVA应用》,在看到HashMap那一节的时候,其中提到了HashMap是非线程安全的,在并发场景中如果不保持足够的同步,就有可能在执行HashMap.get时进入死循环,将CPU的消耗到100%。HashMap是线程不安全的,这个我知道的,但是在get操作会出现死循环,我还是第一次听说到。于是我google了一下,网上讨论的很多,原来很多人对这个都感兴趣啊,于是我深入到HashMap的源码去探究了一下。

       大家都知道,HashMap采用链表解决Hash冲突,具体的HashMap的分析可以参考一下http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697 的分析。因为是链表结构,那么就很容易形成闭合的链路,这样在循环的时候就会产生死循环。但是,我好奇的是,这种闭合的链路是如何形成的呢。在单线程情况下,只有一个线程对HashMap的数据结构进行操作,是不可能产生闭合的回路的。那就只有在多线程并发的情况下才会出现这种情况,那就是在put操作的时候,如果size>initialCapacity*loadFactor,那么这时候HashMap就会进行rehash操作,随之HashMap的结构就会发生翻天覆地的变化。很有可能就是在两个线程在这个时候同时触发了rehash操作,产生了闭合的回路。下面我们从源码中一步一步地分析这种回路是如何产生的。先看一下put操作:

public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
//存在key,则替换掉旧的value
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++;
//table[i]为空,这时直接生成一个新的entry放在table[i]上
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

 addEntry操作:

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);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}

可以看到,如果现在size已经超过了threshold,那么就要进行resize操作:

void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//将旧的Entry数组的数据转移到新的Entry数组上
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

看一下transfer操作,闭合的回路就是在这里产生的:

void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
/*
* 在转换的过程中,HashMap相当于是把原来链表上元素的的顺序颠倒了。
* 比如说 原来某一个Entry[i]上链表的顺序是e1->e2->null,那么经过操作之后
* 就变成了e2->e1->null
*/
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
//我认为此处是出现死循环的罪魁祸首
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}


那么回路究竟是如何产生的呢,问题就出在next=e.next这个地方,在多线程并发的环境下,为了便于分析,我们假设就两个线程P1,P2。src[i]的链表顺序是e1->e2->null。我们分别线程P1,P2的执行情况。

        首先,P1,和P2进入到了for循环中,这时候在线程p1和p2中,局部变量分别如下:

         enext
P1       e1e2
P2       e1e2

 

      此时两个Entry的顺序是依然是最开始的状态e1->e2->null,  但是此时p1可能某些原因线程暂停了,p2则继续执行,并执行完了do while循环。这时候Entry的顺序就变成了e2->e1->null。在等到P2执行完之后,可能p1才继续执行,这时候在P1线程中局部变量e的值为e1,next的值为e2(注意此时两个元素在内存中的顺序变成了e2->e1->null),下面P1线程进入了do while循环。这时候P1线程在新的Entry数组中找到e1的位置,

e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;


下面会把next赋值给e,这时候e的值成为了e2,继续下一次循环,这时候

enext
P1e2e1

      e2->next=e1,这个是线程P2的"功劳"。程序执行完这次循环之后,e=e1,

继续第三次循环,这时候根据算法,就会进行e1->next=e2。

      这样在线程P1中执行了 e1->next=e2,在线程P2中执行了 e2->next=e1,这样就形成了一个环。在get操作的时候,next值永远不为null,造成了死循环。

         实际上,刚开始我碰到这个说法的时候,还被吓了一跳,HashMap怎么还会出现这个问题呢,仔细分析一下,这个问题再高并发的场景下是很容易出现的。Sun的工程师建议在这样的场景下应采用ConcurrentHashMap。具体参考http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457 。

        虽然这个问题再平时的工作中还没有遇到,但是以后需要注意。要在不同的场景下选择合适的类,规避类似HashMap这种死循环的问题。


摘自:http://xm-king.iteye.com/blog/962172



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