HashMap死循环，CPU100%

小鱼儿 2022-06-09 01:25 221阅读 0赞

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][Link 1]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][Link 2]。

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][Link 2]通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个<key, value>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][Hash Collision DoS]》）。

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：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain] [ print][view plain] [?][view plain]

1.  public V put(K key, V value)  
2.  \{  
3.      ......  
4.      //算Hash值  
5.      int hash = hash(key.hashCode());  
6.      int i = indexFor(hash, table.length);  
7.      //如果该key已被插入，则替换掉旧的value （链接操作）  
8.      for (Entry<K,V> e = table\[i\]; e != null; e = e.next) \{  
9.          Object k;  
10.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) \{  
11.             V oldValue = e.value;  
12.             e.value = value;  
13.             e.recordAccess(this);  
14.             return oldValue;  
15.         \}  
16.     \}  
17.     modCount++;  
18.     //该key不存在，需要增加一个结点  
19.     addEntry(hash, key, value, i);  
20.     return null;  
21. \}

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

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain] [ print][view plain] [?][view plain]

1.  void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)  
2.  \{  
3.      Entry<K,V> e = table\[bucketIndex\];  
4.      table\[bucketIndex\] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
5.      //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  
6.      if (size++ >= threshold)  
7.          resize(2 \* table.length);  
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。

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain] [ print][view plain] [?][view plain]

1.  void resize(int newCapacity)  
2.  \{  
3.      Entry\[\] oldTable = table;  
4.      int oldCapacity = oldTable.length;  
5.      ......  
6.      //创建一个新的Hash Table  
7.      Entry\[\] newTable = new Entry\[newCapacity\];  
8.      //将Old Hash Table上的数据迁移到New Hash Table上  
9.      transfer(newTable);  
10.     table = newTable;  
11.     threshold = (int)(newCapacity \* loadFactor);  
12. \}

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：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain] [ print][view plain] [?][view plain]

1.  void transfer(Entry\[\] newTable)  
2.  \{  
3.      Entry\[\] src = table;  
4.      int newCapacity = newTable.length;  
5.      //下面这段代码的意思是：  
6.      //  从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中  
7.      for (int j = 0; j < src.length; j++) \{  
8.          Entry<K,V> e = src\[j\];  
9.          if (e != null) \{  
10.             src\[j\] = null;  
11.             do \{  
12.                 Entry<K,V> next = e.next;  
13.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
14.                 e.next = newTable\[i\];  
15.                 newTable\[i\] = e;  
16.                 e = next;  
17.             \} while (e != null);  
18.         \}  
19.     \}  
20. \}

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<key,value> 重新rehash的过程

![HashMap01.jpg][]

#### 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：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain] [ print][view plain] [?][view plain]

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

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。

![HashMap02.jpg][]

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)**

![HashMap03.jpg][]

**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**。

![HashMap04.jpg][]

**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。**

![HashMap05.jpg][]

**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][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][http_mailinator.blogspot.com_2009_06_beautiful-race-condition.html]

（全文完）

[Java]: http://lib.csdn.net/base/java
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/softwaretest
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[Hash Collision DoS]: http://coolshell.cn/articles/6424.html
[view plain]: http://blog.csdn.net/xiaohui127/article/details/11928865#
[HashMap01.jpg]: /images/20220609/6ad5563202f143c9b2d939a0f1fd9e09.png
[HashMap02.jpg]: /images/20220609/f72d35b22a4f40c4a8dcf1cb4e295c8d.png
[HashMap03.jpg]: /images/20220609/f3da06ea5fc946d99cd96d5a728fae4a.png
[HashMap04.jpg]: /images/20220609/394cea43757e4e1d90e899334d5ce1a8.png
[HashMap05.jpg]: /images/20220609/4e140c6c90a24af5af8e8b97e797377d.png
[http_bugs.sun.com_bugdatabase_view_bug.do_bug_id_6423457]: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457
[http_mailinator.blogspot.com_2009_06_beautiful-race-condition.html]: http://mailinator.blogspot.com/2009/06/beautiful-race-condition.html