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            3. 技術疫苗:Java HashMap的死循環

              教程作者:本站    教程來源:本站整理   教程欄目:LinuxBSD教程    收藏本頁

               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

                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。

                Hash表數據結構

                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。

                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:

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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

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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);
              }

                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。

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              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:

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              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。ㄒ簿褪菙到M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

                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:

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              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。

                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)

                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。

                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

                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

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

                我在這里把這個事情記錄下來,只是為了讓大家了解并體會一下并發環境下的危險。

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