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在淘寶內網里看到同事發了貼說了一個CPU被100%的線上故障,并且這個事發生了很多次,原因是在Java語言在并發情況下使用HashMap造成Race Condition,從而導致死循環。這個事情我4、5年前也經歷過,本來覺得沒什么好寫的,因為Java的HashMap是非線程安全的,所以在并發下必然出現問題。但是,我發現近幾年,很多人都經歷過這個事(在網上查“HashMap Infinite Loop”可以看到很多人都在說這個事)所以,覺得這個是個普遍問題,需要寫篇疫苗文章說一下這個事,并且給大家看看一個完美的“Race Condition”是怎么形成的。
問題的癥狀
java hashcode算法?從前我們的Java代碼因為一些原因使用了HashMap這個東西,但是當時的程序是單線程的,一切都沒有問題。后來,我們的程序性能有問題,所以需要變成多線程的,于是,變成多線程后到了線上,發現程序經常占了100%的CPU,查看堆棧,你會發現程序都Hang在了HashMap.get()這個方法上了,重啟程序后問題消失。但是過段時間又會來。而且,這個問題在測試環境里可能很難重現。
我們簡單的看一下我們自己的代碼,我們就知道HashMap被多個線程操作。而Java的文檔說HashMap是非線程安全的,應該用ConcurrentHashMap。
但是在這里我們可以來研究一下原因。
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Hash表數據結構
java序列化接口、我需要簡單地說一下HashMap這個經典的數據結構。
HashMap通常會用一個指針數組(假設為table[])來做分散所有的key,當一個key被加入時,會通過Hash算法通過key算出這個數組的下標i,然后就把這個<key, value>插到table[i]中,如果有兩個不同的key被算在了同一個i,那么就叫沖突,又叫碰撞,這樣會在table[i]上形成一個鏈表。
我們知道,如果table[]的尺寸很小,比如只有2個,如果要放進10個keys的話,那么碰撞非常頻繁,于是一個O(1)的查找算法,就變成了鏈表遍歷,性能變成了O(n),這是Hash表的缺陷(可參看《Hash Collision DoS 問題》)。
所以,Hash表的尺寸和容量非常的重要。一般來說,Hash表這個容器當有數據要插入時,都會檢查容量有沒有超過設定的thredhold,如果超過,需要增大Hash表的尺寸,但是這樣一來,整個Hash表里的無素都需要被重算一遍。這叫rehash,這個成本相當的大。
jdk8接口默認方法、相信大家對這個基礎知識已經很熟悉了。
HashMap的rehash源代碼
下面,我們來看一下Java的HashMap的源代碼。
Put一個Key,Value對到Hash表中:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | public V put(K key, V value) { ???? ...... ???? //算Hash值 ???? int hash = hash(key.hashCode()); ???? int i = indexFor(hash, table.length); ???? //如果該key已被插入,則替換掉舊的value (鏈接操作) ???? 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++; ???? //該key不存在,需要增加一個結點 ???? addEntry(hash, key, value, i); ???? return null ; } |
檢查容量是否超標
1 2 3 4 5 6 7 8 | 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); ???? //查看當前的size是否超過了我們設定的閾值threshold,如果超過,需要resize ???? if (size++ >= threshold) ???????? resize( 2 * table.length); } |
Java redis、新建一個更大尺寸的hash表,然后把數據從老的Hash表中遷移到新的Hash表中。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | void resize( int newCapacity) { ???? Entry[] oldTable = table; ???? int oldCapacity = oldTable.length; ???? ...... ???? //創建一個新的Hash Table ???? Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; ???? //將Old Hash Table上的數據遷移到New Hash Table上 ???? transfer(newTable); ???? table = newTable; ???? threshold = ( int )(newCapacity * loadFactor); } |
遷移的源代碼,注意高亮處:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | void transfer(Entry[] newTable) { ???? Entry[] src = table; ???? int newCapacity = newTable.length; ???? //下面這段代碼的意思是: ???? //? 從OldTable里摘一個元素出來,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,這個代碼算是比較正常的。而且沒有什么問題。
正常的ReHash的過程
畫了個圖做了個演示。
- 我假設了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小(也就是數組的長度)。
- 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以后都沖突在table[1]這里了。
- 接下來的三個步驟是Hash表 resize成4,然后所有的<key,value> 重新rehash的過程
java問題?
并發下的Rehash
1)假設我們有兩個線程。我用紅色和淺藍色標注了一下。
我們再回頭看一下我們的 transfer代碼中的這個細節:
1 2 3 4 5 6 7 | do { ???? Entry<K,V> next = e.next; // <--假設線程一執行到這里就被調度掛起了 ???? int i = indexFor(e.hash, newCapacity); ???? e.next = newTable[i]; ???? newTable[i] = e; ???? e = next; } while (e != null ); |
而我們的線程二執行完成了。于是我們有下面的這個樣子。
JAVA?
注意,因為Thread1的 e 指向了key(3),而next指向了key(7),其在線程二rehash后,指向了線程二重組后的鏈表。我們可以看到鏈表的順序被反轉后。
2)線程一被調度回來執行。
- 先是執行 newTalbe[i] = e;
- 然后是e = next,導致了e指向了key(7),
- 而下一次循環的next = e.next導致了next指向了key(3)
不屬于死疫苗的特點是。3)一切安好。
線程一接著工作。把key(7)摘下來,放到newTable[i]的第一個,然后把e和next往下移。
4)環形鏈接出現。
死疫苗和活疫苗的優缺點、e.next = newTable[i] 導致? key(3).next 指向了 key(7)
注意:此時的key(7).next 已經指向了key(3), 環形鏈表就這樣出現了。
于是,當我們的線程一調用到,HashTable.get(11)時,悲劇就出現了——Infinite Loop。
其它
java死循環報錯,有人把這個問題報給了Sun,不過Sun不認為這個是一個問題。因為HashMap本來就不支持并發。要并發就用ConcurrentHashmap
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這個問題比較繞,有時候真不好理解。自己加點注釋便于理解:
java hashcode原理、
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