問題
最近的幾次面試中，我都問了是否瞭解HashMap在併發使用時可能發生死循環，導致cpu100%，結果讓我很意外，都表示不知道有這樣的問題，讓我意外的是面試者的工作年限都不短。
由於HashMap並非是線程安全的，所以在高併發的情況下必然會出現問題，這是一個普遍的問題，雖然網上分析的文章很多，還是覺得有必須寫一篇文章，讓關注我公衆號的同學能夠意識到這個問題，並瞭解這個死循環是如何產生的。
如果是在單線程下使用HashMap，自然是沒有問題的，如果後期由於代碼優化，這段邏輯引入了多線程併發執行，在一個未知的時間點，會發現CPU佔用100%，居高不下，通過查看堆棧，你會驚訝的發現，線程都Hang在hashMap的get()方法上，服務重啓之後，問題消失，過段時間可能又復現了。
這是爲什麼？
原因分析
在瞭解來龍去脈之前，我們先看看HashMap的數據結構。
在內部，HashMap使用一個Entry數組保存key、value數據，當一對key、value被加入時，會通過一個hash算法得到數組的下標index，算法很簡單，根據key的hash值，對數組的大小取模 hash & (length-1)，並把結果插入數組該位置，如果該位置上已經有元素了，就說明存在hash衝突，這樣會在index位置生成鏈表。
如果存在hash衝突，最慘的情況，就是所有元素都定位到同一個位置，形成一個長長的鏈表，這樣get一個值時，最壞情況需要遍歷所有節點，性能變成了O(n)，所以元素的hash值算法和HashMap的初始化大小很重要。
當插入一個新的節點時，如果不存在相同的key，則會判斷當前內部元素是否已經達到閾值（默認是數組大小的0.75），如果已經達到閾值，會對數組進行擴容，也會對鏈表中的元素進行rehash。
實現
HashMap的put方法實現：
1、判斷key是否已經存在
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
// 如果key已經存在，則替換value，並返回舊值
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++;
// key不存在，則插入新的元素
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
2、檢查容量是否達到閾值threshold
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
如果元素個數已經達到閾值，則擴容，並把原來的元素移動過去。
3、擴容實現
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
...
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
...
transfer(newTable, rehash);
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
這裏會新建一個更大的數組，並通過transfer方法，移動元素。
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;
e = next;
}
}
}
移動的邏輯也很清晰，遍歷原來table中每個位置的鏈表，並對每個元素進行重新hash，在新的newTable找到歸宿，並插入。
案例分析
假設HashMap初始化大小爲4，插入個3節點，不巧的是，這3個節點都hash到同一個位置，如果按照默認的負載因子的話，插入第3個節點就會擴容，爲了驗證效果，假設負載因子是1.
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;
e = next;
}
}
}
以上是節點移動的相關邏輯。
插入第4個節點時，發生rehash，假設現在有兩個線程同時進行，線程1和線程2，兩個線程都會新建新的數組。
假設 線程2 在執行到Entry<K,V> next = e.next;之後，cpu時間片用完了，這時變量e指向節點a，變量next指向節點b。
線程1繼續執行，很不巧，a、b、c節點rehash之後又是在同一個位置7，開始移動節點
第一步，移動節點a
第二步，移動節點b
注意，這裏的順序是反過來的，繼續移動節點c
這個時候 線程1 的時間片用完，內部的table還沒有設置成新的newTable， 線程2 開始執行，這時內部的引用關係如下：
這時，在 線程2 中，變量e指向節點a，變量next指向節點b，開始執行循環體的剩餘邏輯。
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
執行之後的引用關係如下圖
執行後，變量e指向節點b，因爲e不是null，則繼續執行循環體，執行後的引用關係
變量e又重新指回節點a，只能繼續執行循環體，這裏仔細分析下：
1、執行完Entry<K,V> next = e.next;，目前節點a沒有next，所以變量next指向null；
2、e.next = newTable[i]; 其中 newTable[i] 指向節點b，那就是把a的next指向了節點b，這樣a和b就相互引用了，形成了一個環；
3、newTable[i] = e 把節點a放到了數組i位置；
4、e = next; 把變量e賦值爲null，因爲第一步中變量next就是指向null；
所以最終的引用關係是這樣的：
節點a和b互相引用，形成了一個環，當在數組該位置get尋找對應的key時，就發生了死循環。
另外，如果線程2把newTable設置成到內部的table，節點c的數據就丟了，看來還有數據遺失的問題。
總結
所以在併發的情況，發生擴容時，可能會產生循環鏈表，在執行get的時候，會觸發死循環，引起CPU的100%問題，所以一定要避免在併發環境下使用HashMap。
曾經有人把這個問題報給了Sun，不過Sun不認爲這是一個bug，因爲在HashMap本來就不支持多線程使用，要併發就用ConcurrentHashmap。
作者：佔小狼
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來源：簡書
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