HashMap多線程擴容導致死循環解析（JDK1.7）

前言

前一篇 HashMap底層結構與實現原理 遺留了一個問題：JDK1.7中的HashMap在多線程情況下擴容可能會導致死循環。本篇就這個問題進行講解。

擴容死循環

前一篇深入的講解了HashMap1.7擴容的過程，這裏回顧一下在擴容過程中，單鏈表的表現，相關的代碼如下

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    // 外層循環遍歷數組槽（slot）
    for (Entry<K,V> e : table) {
    	// 內層循環遍歷單鏈表
        while(null != e) {
        	// 記錄當前節點的next節點
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            // 找到元素在新數組中的槽（slot）
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            // 用頭插法將元素插入新的數組
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            // 遍歷下一個節點
            e = next;
        }
    }
}

在單線程情況下，假設A、B、C三個節點處在一個鏈表上，擴容後依然處在一個鏈表上，代碼執行過程如下：

需要注意的幾點是

• 單鏈表在轉移的過程中會被反轉
• table是線程共享的，而newTable是不共享的
• 執行table = newTable後，其他線程就可以看到轉移線程轉移後的結果了

理解了單線程下鏈表在擴容時的行爲，再來看多線程的情況就比較容易了

此處感謝評論區@傷神v同學的指點，以下多線程擴容圖是修正後的圖。

還是關注transfer方法這段代碼

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = 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);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;  // *線程1在這行暫停（尚未執行）
            e = next;
        }
    }
}

• 線程1執行newTable[i] = e時暫停（未執行）
• 線程2直接擴容完成
• 線程1繼續執行，此時線程1可以看到線程2擴容後的結果

圖中已經畫出了每一行代碼執行後，HashMap的結構圖，仔細觀察圖中的結構變化，就能理解爲什麼會死循環。

由此，完完整整的解釋了爲什麼多線程情況下，JDK1.7版本的HashMap擴容有可能出現死循環。

JDK1.8改進

JDK1.8中擴容的方法是resize，對應的代碼是(HashMap中第715行至第742行)：

// 低位鏈表頭節點，尾結點
// 低位鏈表就是擴容前後，所處的槽（slot）的下標不變
// 如果擴容前處於table[n]，擴容後還是處於table[n]
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
// 高位鏈表頭節點，尾結點
// 高位鏈表就是擴容後所處槽（slot）的下標 = 原來的下標 + 新容量的一半
// 如果擴容前處於table[n]，擴容後處於table[n + newCapacity / 2]
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
    next = e.next;
    if ((e.hash & oldCap) == 0) {
        if (loTail == null)
            loHead = e;
        else
            loTail.next = e;
        loTail = e;
    }
    else {
        if (hiTail == null)
            hiHead = e;
        else
            hiTail.next = e;
        hiTail = e;
    }
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
    loTail.next = null;
    // 低位鏈表在擴容後，所處槽的下標不變
    newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
    hiTail.next = null;
    // 高位鏈表在擴容後，所處槽的下標 = 原來的下標 + 擴容前的容量（也就是擴容後容量的一半）
    newTab[j + oldCap] = hiHead;
}

注意第12行的代碼(e.hash & oldCap) == 0就可以判斷，當前槽上的鏈表在擴容前和擴容後，所在的槽（slot）下標是否一致。舉個例子：
假如一個key的hash值爲1001 1100，轉換成十進制就是156，數組長度爲1000，轉換成十進制就是8。

  1001 1100
& 0000 1000
--------------
  0000 1000

也就是(e.hash & oldCap) != 0，很容易計算出，擴容前這個key的下標是4（156 % 8 = 4），擴容後下標是12（156 % 16 = 12）即：12 = 4 + 16 / 2，滿足n = n + newCapacity / 2，由此可以看出這種計算方式非常巧妙。至於第12行之後的代碼就是基本的單鏈表操作了，只是一個單鏈表同時具有頭指針和尾指針，等到鏈表被分成高位鏈表和低位鏈表後，再一次性轉移到新的table。這樣就完成了單鏈表在擴容過程中的轉移，使用兩條鏈表的好處就是轉移前後的鏈表不會倒置，更不會因爲多線程擴容而導致死循環。

總結

本篇主要通過圖解的方式，解釋了爲什麼JDK1.7中的HashMap在多線程情況下擴容可能死循環，也解釋了JDK1.8如何解決這個問題。不得不說，畫圖是個很好的分析方式，根據代碼，一步一步把結構圖畫出來，比對着代碼瞎琢磨效果好多了。

以上就是本篇文章的全部內容。