一、問題描述

經常有些面試官會問，是否了解過 HashMap 在多線程環境下使用時可能會發生死循環，導致服務器 cpu 100% 的線上故障？

關于這個問題，很多年前，在淘寶內網里就有很多的程序員發過這種帖子說一個CPU 被100%了，原因竟是多線程環境下使用 HashMap 造成的死循環，并且這個事發生了很多次。

雖然 Java 官方明確表示，在多線程環境下不推薦使用 HashMap，但是對于這種問題，小編其實也比較意外，如果不是深入的去了解 HashMap，都不知道有這樣的問題。

為什么會產生死循環呢？下面我們來還原一下問題的經過。

二、問題重現

在之前的集合系列文章中，我們了解到 HashMap 是一個哈希數組 + 鏈表的數據結構，在實際的程序開發中，我們經常會使用到 HashMap，如果對 HashMap 不是很了解，大家可以看小編之前寫的《深入淺出分析 HashMap 》一文。

HashMap 是一個非線程安全的集合操作類，如果我們的程序操作是單線程的，那么一切都沒問題。當我們的程序是多線程操作 HashMap 類時，那么問題就來了，我們一起來復現一下。

測試代碼，如下：

使用了4個線程來向 HashMap 中添加元素，可能一次運行不一定有效果，可以反復運行幾次！

控制臺輸出結果：

可以清晰的看到，在遍歷 map 的內容時，已經死循環了！

再來看看，活動監視器，結果如下：

cpu 的使用率，直接接近 200%！

接下來我們去查看下 java 中剛剛運行的 HashThreadTest 類堆棧情況：

可以看到，HashMap 的擴容操作導致了死循環！

通過測試，我們發現 HashMap 在多線程環境下進行操作，的確會產生死循環，并且會導致 CPU 100%！

這是為什么呢？我們一起來閱讀一下源碼！

三、源碼閱讀

注意注意，小編在進行測試的時候，使用的是 JDK1.7 的版本！

如果你使用 JDK1.8 的版本，不好意思，不一定能復現這個問題！因為 JDK1.8 已經修復了這個問題，但是依然不建議在多線程環境下使用 HashMap！

我們繼續來看看為什么使用 JDK1.7 會出現這個問題！

既然是 put 階段造成的數據問題，我們不妨一起來看看 HashMap 的 put 過程！

1.HashMap 添加過程

HashMap 的 put 源碼實現如下：

接著我們來看看addEntry()方法，將元素插入到數組中，并且檢查容量是否超標，源碼實現如下：

上面例子中，我們初始化的時候給定的容量是 2，所以在添加元素時必定會擴容！如果超出閥值，就進行擴容處理，創建一個更大容量的 hash 表，然后把從老的 Hash 表中遷移到新的 Hash 表中，源碼如下：

將舊 hash 表中的元素復制到新的 hash 表中，源碼如下：

整個 put 過程，大致可以分如下幾個步驟：

• 第一步是通過 key 計算出來的 hash 和 equals 來判斷元素是否存在，如果存在，直接覆蓋；反之，插入；
• 第二步是將元素插入到 hash 表中，如果不同的元素都在一個 hash 數組下標下，就以鏈表的形式，采用頭插法存儲在 hash 節點下；
• 最后就是判斷當前數組容量是否大于擴容閥值，如果大于，就進行擴容處理，然后將舊元素復制到新的數組中；

好了，這個過程基本上沒啥問題。

我們再來演示一下擴容中重新計算元素 hash 的過程！

2.單線程下擴容元素 hash 過程

假設在單線程環境下，我們初始化的時候，給定的數組容量是2，分別添加3個元素，內容如下：

• key=3，value=A;
• key=4，value=B;
• key=5，value=C;

源碼如下：

添加完成之后，數組就會進行擴容處理，擴容后 hash 的容量為原來的2倍，擴容操作流程如下：

在單線程環境下，一切看起來都很正常，擴容過程也相當順利。接下來我們看下并發情況下的擴容。

3.多線程擴容元素 hash 過程

假設我們有兩個線程，來分別添加3個元素。

線程二執行完添加任務之后，在準備將舊元素遷移到新元素的時候，也就是準備 rehash 時，突然被 CPU 掛起，此時阻塞在如下圖中的第57行，不再往下執行！而線程一繼續執行直到擴容完成。

2個線程此時的執行結果，內容如下：

接著線程二被喚醒，繼續回到第57行執行。

此時注意了，我們來詳細的分析一下這個過程！

第一次循環過程如下：

• 第1步：此時 e 等于{key:3,value:A}，next=e.next={key:5,value:C}；
• 第2步：通過 key 重新 hash 計算得到下標 i = 3；
• 第3步：newTable為局部變量，內容都為null，所以 e.next = newTable[i]=null;
• 第4步：newTable[i]=e={key:3,value:A};
• 第5步：e=next={key:5,value:C};

循環結果如下，e={key:5,value:C}，滿足while()循環條件，接著繼續！

第二次循環過程如下：

• 第1步：此時 e 等于{key:5,value:C}，取最新的鏈表結構，next=e.next={key:3,value:A}；
• 第2步：通過 key 重新 hash 計算得到下標 i = 3；
• 第3步：在第一次循環中，newTable[i]已經插入值，所以 e.next = newTable[i]={key:3,value:A};
• 第4步：newTable[i]=e={key:5,value:C};
• 第5步：e=next={key:3,value:A};

循環結果如下，e={key:3,value:A}，滿足while()循環條件，接著繼續！

第三次循環過程如下：

• 第1步：此時 e 等于{key:3,value:A}，取最新的鏈表結構，next=e.next=null；
• 第2步：通過 key 重新 hash 計算得到下標 i = 3；
• 第3步：在第二次循環中，newTable[i]已經插入值，所以 e.next = newTable[i]={key:5,value:C};
• 第4步：newTable[i]=e={key:3,value:A};
• 第5步：e=next=null;

循環結果如下，e=null，while()程序不在循環！

綜合線程1、線程2執行結果，最終 hashMap 的存儲結果，如下圖：

可以很清晰的看到，鏈表發生死循環了！

于是，當我們在遍歷 hashMap 鏈表內容的時候，就會出現上文中問題復現的場景，死循環式的輸出相同的內容，CPU 直接飆到200%了！

對于這種問題，當初有人上報到 SUN 公司，但是 SUN 不認為這是一個問題，因為 HashMap 本來就不支持并發操作！

所以，不建議在多線程環境下使用 HashMap，那如果要在多線程環境下使用 map 操作類，該怎么辦呢？

四、解決辦法

辦法肯定是有的，如果大家想在多線程場景下使用 HashMap，有兩種解決辦法：

• 第一種，推薦使用并發包中的 ConcurrentHashMap 類，一種使用分段鎖的 hashMap 類，在之后的文章中，咱們也會介紹到它。
• 另一種，是使用Collections.synchronizedMap(Mao<K,V> map)工具方法，將 HashMap 變成一個線程安全的 map，其實就是對 map 中的方法進行加鎖處理，保證多線程下操作安全！