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  1. 1. 问题的症状
  2. 2. Hash表数据结构
  3. 3. HashMap的rehash源代码
  4. 4. 正常的ReHash的过程
  5. 5. 并发下的Rehash
  6. 6. 其它

在淘宝内网里看到同事发了贴说了一个CPU被100%的线上故障,并且这个事发生了很多次,原因是在Java语言在并发情况下使用HashMap造成Race Condition,从而导致死循环。这个事情我4、5年前也经历过,本来觉得没什么好写的,因为Java的HashMap是非线程安全的,所以在并发下必然出现问题。但是,我发现近几年,很多人都经历过这个事(在网上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在说这个事)所以,觉得这个是个普遍问题,需要写篇疫苗文章说一下这个事,并且给大家看看一个完美的“Race Condition”是怎么形成的。

问题的症状

从前我们的Java代码因为一些原因使用了HashMap这个东西,但是当时的程序是单线程的,一切都没有问题。后来,我们的程序性能有问题,所以需要变成多线程的,于是,变成多线程后到了线上,发现程序经常占了100%的CPU,查看堆栈,你会发现程序都Hang在了HashMap.get()这个方法上了,重启程序后问题消失。但是过段时间又会来。而且,这个问题在测试环境里可能很难重现。

我们简单的看一下我们自己的代码,我们就知道HashMap被多个线程操作。而Java的文档说HashMap是非线程安全的,应该用ConcurrentHashMap。
但是在这里我们可以来研究一下原因。

Hash表数据结构

我需要简单地说一下HashMap这个经典的数据结构。

HashMap通常会用一个指针数组(假设为table[])来做分散所有的key,当一个key被加入时,会通过Hash算法通过key算出这个数组的下标i,然后就把这个插到table[i]中,如果有两个不同的key被算在了同一个i,那么就叫冲突,又叫碰撞,这样会在table[i]上形成一个链表。

我们知道,如果table[]的尺寸很小,比如只有2个,如果要放进10个keys的话,那么碰撞非常频繁,于是一个O(1)的查找算法,就变成了链表遍历,性能变成了O(n),这是Hash表的缺陷(可参看《Hash Collision DoS 问题》)。

所以,Hash表的尺寸和容量非常的重要。一般来说,Hash表这个容器当有数据要插入时,都会检查容量有没有超过设定的thredhold,如果超过,需要增大Hash表的尺寸,但是这样一来,整个Hash表里的无素都需要被重算一遍。这叫rehash,这个成本相当的大。

相信大家对这个基础知识已经很熟悉了。

HashMap的rehash源代码

下面,我们来看一下Java的HashMap的源代码。

Put一个Key,Value对到Hash表中:

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public V put(K key, V value)
{

......
//算Hash值
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
//如果该key已被插入,则替换掉旧的value (链接操作)
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++;
//该key不存在,需要增加一个结点
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

检查容量是否超标

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void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
{

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
//查看当前的size是否超过了我们设定的阈值threshold,如果超过,需要resize
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}

新建一个更大尺寸的hash表,然后把数据从老的Hash表中迁移到新的Hash表中。

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void resize(int newCapacity)
{

Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
......
//创建一个新的Hash Table
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

迁移的源代码,注意高亮处:

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void transfer(Entry[] newTable)
{

Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
//下面这段代码的意思是:
// 从OldTable里摘一个元素出来,然后放到NewTable中
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);
}
}
}

好了,这个代码算是比较正常的。而且没有什么问题。

正常的ReHash的过程

画了个图做了个演示。

我假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小(也就是数组的长度)。
最上面的是old hash 表,其中的Hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5,在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。
接下来的三个步骤是Hash表 resize成4,然后所有的 重新rehash的过程

并发下的Rehash

1)假设我们有两个线程。我用红色和浅蓝色标注了一下。

我们再回头看一下我们的 transfer代码中的这个细节:

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do {
Entry<K,V> next = e.next; // <--假设线程一执行到这里就被调度挂起了
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);

而我们的线程二执行完成了。于是我们有下面的这个样子。

注意,因为Thread1的 e 指向了key(3),而next指向了key(7),其在线程二rehash后,指向了线程二重组后的链表。我们可以看到链表的顺序被反转后。
2)线程一被调度回来执行。

先是执行 newTalbe[i] = e;
然后是e = next,导致了e指向了key(7),
而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)

3)一切安好。

线程一接着工作。把key(7)摘下来,放到newTable[i]的第一个,然后把e和next往下移。

4)环形链接出现。

e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7)

注意:此时的key(7).next 已经指向了key(3), 环形链表就这样出现了。

于是,当我们的线程一调用到,HashTable.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop。

其它

有人把这个问题报给了Sun,不过Sun不认为这个是一个问题。因为HashMap本来就不支持并发。要并发就用ConcurrentHashmap

http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457

我在这里把这个事情记录下来,只是为了让大家了解并体会一下并发环境下的危险。

参考:http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html

(全文完)