前言

????HashMap在java程序中使用頗為頻繁，因此掌握HashMap的底層實(shí)現(xiàn)顯得格外重要。相信大家也知道HashMap是非線程安全的，在多線程環(huán)境下應(yīng)該避免使用HashMap，而應(yīng)該使用線程安全的ConcurrentHashMap。那么HashMap在多線程環(huán)境下到底有什么問(wèn)題，為什么存在這樣的問(wèn)題，以及jdk1.6及1.8以上實(shí)現(xiàn)的差異在哪？本文圍繞這幾個(gè)問(wèn)題展開，逐一解答所有疑問(wèn)。

HashMap底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及問(wèn)題分析

jdk1.6

????jdk1.6的HashMap底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，也是大家比較熟悉的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)---數(shù)組+單向鏈表。jdk1.6通過(guò)數(shù)組和鏈表的組合以拉鏈法的方式實(shí)現(xiàn)HashMap。結(jié)構(gòu)如下圖所示：

拉鏈法哈希表

????key位置確定方式為pos=hashcode(key) % len，所有沖突的key通過(guò)單鏈表串起來(lái)。當(dāng)HashMap的元素個(gè)數(shù)超過(guò)某個(gè)負(fù)載值（由負(fù)載因素決定）時(shí)，會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容，并將所有元素rehash后放置在擴(kuò)容后的哈希表中，jdk1.6的擴(kuò)容邏輯如下：

void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

這段代碼邏輯不難，這里簡(jiǎn)單解讀下上述代碼做的事情：遍歷舊哈希表中所有單鏈表，找到元素e在新哈希表的位置，然后將其插入到該位置對(duì)應(yīng)鏈表的頭部。循環(huán)完后，所有的元素都搬到新哈希表中。由此可以看出，這里采用的是頭插入法，這樣每次插入時(shí)不用遍歷鏈表，提高了性能。但是這里存在一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)：在多線程環(huán)境下，容易出現(xiàn)循環(huán)引用導(dǎo)致死循環(huán)。下面具體分析下這種場(chǎng)景。
????假設(shè)有兩個(gè)線程A、B同時(shí)對(duì)同一個(gè)HashMap進(jìn)行插值操作，并且HashMap容量已到達(dá)閾值需要擴(kuò)容。這時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)并發(fā)擴(kuò)容的情況。假設(shè)線程A先執(zhí)行到Entry<K,V> next = e.next;此時(shí)A線程對(duì)應(yīng)哈希表的狀態(tài)如下：

哈希表狀態(tài)-A

接著，操作系統(tǒng)將A線程掛起，B線程被調(diào)度執(zhí)行，并執(zhí)行完do while循環(huán)中的所有指令，此時(shí)B線程對(duì)應(yīng)哈希表狀態(tài)為：

哈希表狀態(tài)-B

死循環(huán)狀態(tài)

jdk1.8

????上一小節(jié)我們分析了jdk1.6的HashMap在并發(fā)擴(kuò)容時(shí)會(huì)導(dǎo)致死循環(huán)，本小節(jié)我們來(lái)看看jdk1.8中HashMap的擴(kuò)容時(shí)如何實(shí)現(xiàn)的。和jdk1.6中的HashMap類似，底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是采用拉鏈法實(shí)現(xiàn)的hash表，不同的是當(dāng)鏈表的元素個(gè)數(shù)達(dá)到8時(shí)，鏈表會(huì)轉(zhuǎn)換為紅黑樹以提高查詢的性能。本文的重點(diǎn)是分析擴(kuò)容問(wèn)題，因此對(duì)于紅黑樹暫且不討論（網(wǎng)上一搜一大把）。jdk1.8擴(kuò)容的邏輯如下：

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        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;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

代碼有點(diǎn)長(zhǎng)，我們只關(guān)心主要擴(kuò)容執(zhí)行部分--for循環(huán)里。jdk1.8這塊的實(shí)現(xiàn)邏輯比1.6繞，很多同學(xué)一開始很難理清楚，這里簡(jiǎn)單解釋下：和1.6一樣也是遍歷原始hash表中所有鏈表，不同的是，在1.8中不是每遍歷一個(gè)元素就往新hash表中插，而是提前將一個(gè)鏈表中的元素分別組織成低槽位和高槽位的鏈表，然后再分別將兩個(gè)鏈表插入到新hash表中對(duì)應(yīng)的位置。這里比較難理解的是一個(gè)單鏈表為何能拆成兩個(gè)不同的鏈表，且保證鏈表中的元素確實(shí)在同一槽位？這里做個(gè)論證，假設(shè)有個(gè)長(zhǎng)度為len的hash表，那么第i槽位對(duì)應(yīng)的key的hash值只可能為i、len+i、2*len+i、... 、n*len+i。由于HashMap擴(kuò)容是翻倍的，即擴(kuò)容到原來(lái)的2倍，因此擴(kuò)容后的長(zhǎng)度為2*len，那之前舊表中第i槽位的元素rehash后在新表中的槽位為：i%2len、(len+i)%2len、(2*len+i)%2len、... 、(n*len+i)%2n，很明顯(k*len+i)%2len（k為偶數(shù)）的值為i，(k*len+i)%2len（k為奇數(shù)）的值為i+len，所以rehash后舊表中第i槽位的key會(huì)落在新表第i或者第i+len槽位，這就解釋了為什么舊表中一個(gè)鏈表會(huì)拆分為兩個(gè)鏈表。還是以上面的HashMap為例1.8擴(kuò)容后的結(jié)果如下：

擴(kuò)容后的哈希表-1.8

小結(jié)

????本文主要介紹了HashMap在多線程環(huán)境下導(dǎo)致的問(wèn)題及其原因，歡迎大家溝通交流。