JDK1.7和JDK1.8中HashMap线程不安全的原因详解

JDK1.7和JDK1.8中HashMap线程不安全的原因详解

HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面：
1.在JDK1.7中，当 并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。
2.在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。

认识：

1.在jdk1.7中，采用头插法的方式

2.在jdk1.8中，采用尾插法的方式

前言

只要是对于集合有一定了解的一定都知道HashMap是线程不安全的，我们应该使用ConcurrentHashMap。但是为什么HashMap是线程不安全的呢，之前面试的时候也遇到到这样的问题，但是当时只停留在知道是的层面上，并没有深入理解为什么是。于是今天重温一个HashMap线程不安全的这个问题。

JDK1.7中扩容引发的线程不安全

HashMap的线程不安全主要是发生在扩容函数中，即根源是在transfer函数中，JDK1.7中HashMap的transfer函数如下：

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;
            }
        }
    }
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采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转，这也是形成死循环的关键点。理解了头插法后再继续往下看是如何造成死循环以及数据丢失的。

扩容造成死循环和数据丢失的分析过程

假设现在有两个线程A、B同时对下面这个HashMap进行扩容操作：

但是当线程A执行到上面transfer函数的第11行代码时，CPU时间片耗尽，线程A被挂起。即如下图中位置所示：

此时线程A中：e=3、next=7、e.next=null

当线程A的时间片耗尽后，CPU开始执行线程B，并在线程B中成功的完成了数据迁移

因为多线程中对于这个链表数据是共享的

重点来了，根据Java内存模式可知，线程B执行完数据迁移后，此时主内存中newTable和table都是最新的，也就是说：

7.next=3、3.next=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：

接着继续执行下一轮循环，此时e=7，从主内存中读取e.next时发现主内存中7.next=3，于是乎next=3，并将7采用头插法的方式放入新数组中，并继续执行完此轮循环，结果如下：

执行下一次循环可以发现，next=e.next=null，所以此轮循环将会是最后一轮循环。接下来当执行完e.next=newTable[i]即3.next=7后，3和7之间就相互连接了，当执行完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：

上面说了此时e.next=null即next=null，当执行完e=null后，将不会进行下一轮循环。到此线程A、B的扩容操作完成，很明显当线程A执行完后，HashMap中出现了环形结构，当在以后对该HashMap进行操作时会出现死循环。

并且从上图可以发现，此时没有任何元素指向5了，元素5在扩容期间被莫名的丢失了，这就发生了数据丢失的问题。

JDK1.8中的put操作造成线程不安全

Java8中已经不再采用头插法，改为尾插法，即直接插入链表尾部，因此不会出现死循环和数据丢失，但是在多线程环境下仍然会有数据覆盖的问题。

我们首先来看一下源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

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    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 如果没有hash碰撞则直接插入元素
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
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注意,如果插入元素没有发生hash碰撞则直接插入。

否则，有了hash碰撞 。

步骤分析：

1、假设两个线程A、B都在进行put操作，并且hash函数计算出的插入下标是相同的，当线程A执行完上面的判断有没有hash碰撞的代码时，由于时间片耗尽导致被挂起。

2、而线程B得到时间片后在该下标处插入了元素，完成了正常的插入。

3、然后线程A获得时间片，由于之前已经进行了hash碰撞的判断，所有此时不会再进行判断，而是直接进行插入，这就导致了线程B插入的数据被线程A覆盖了，从而线程不安全。

举例：

当元素5和7都执行put操作，

1、当线程a记录了尾结点3的位置时，此时时间片耗尽，停止，

2、线程b正常执行，插入到了3的后面，

3、此时线程a获得时间片，继续执行，将前驱结点3指向自己

4、元素7则直接没有任何元素指向它，元素7被覆盖

总结

HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面：
1.在JDK1.7中，当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。
2.在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。