HashMap多线程并发的问题

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前言：大多数javaer都知道HashMap是线程不安全的，多线程环境下数据可能会发生错乱，一定要谨慎使用。这个结论是没错，可是HashMap的线程不安全远远不是数据脏读这么简单，它还有可能会发生死锁，造成内存飙升100%的问题，情况十分严重（别问我是怎么知道的，我刚把机器重启了一遍！）今天就来探讨一下这个问题，HashMap在多线程环境下究竟会发生什么？

一：模拟程序

温馨提示:咳咳，以下代码需在家长陪同下使用，非战斗人员请速速退场，否则带来的一切后果请自己负责！

言归正传，我们先来写个程序先：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * Created by Yiron on 3/30 0030.
 */
public class HashMapManyThread {

    static Map<String,String > map =new HashMap<String, String>(16);//初始化容量

    public static  class TestHashMapThread implements Runnable{

        int start=0;

       public TestHashMapThread(int start){

           this.start=start;
        }

        @Override
        public void run() {

            for (int i = 0; i <100000 ; i+=2) {

                System.out.println("--puting----");

                map.put(Integer.toString(i),String.valueOf(Math.random()*100));
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        Thread[] threads =new Thread[100];

        for (int i = 0; i <threads.length ; i++) {
            
            threads[i]=new Thread(new TestHashMapThread(i));
            
        }


        for (int i = 0; i <100 ; i++) {
            
            threads[i].start();
        }

        System.out.println(map.size());
    }
}

上面的程序开了100个线程去访问给HashMap去put不同的值，如果是线程安全的，最后肯定会输出5000，可惜事与愿违，在尝试了几次以后，竟然程序给卡死了，紧接着打开任务管理器，发现cpu飙升至100%，而内存使用也有88%，简直丧心病狂！无奈下只能重启！

二：原因分析

 在cmd中打开，然后输入jps，可以查看所有的java进程，然后可以看到所有的线程都在运行中,一直在无限循环状态，可以看到抛异常在at java.util.HashMap.put(HashMap.java:374)行，我们打开374行来看看：

以下是put方法的源码：

 public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { //374行
            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++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

可以看到这里是遍历数组的过程，其中遍历它的元素过程中，有一个e.next也就是指针往下移动，这里就很容易出现问题了。假如我们有两个线程Thread1和Thread2,假如在遍历的过程中，Thread1此时在链表的节点上e1，next指针会下一层指向e2;而此时Thread2遍历在e2节点上，它往回遍历next指针指向e1，那么此时的链表结构就被破坏了，形成了双向指针，构成了一个闭环（如图所示），就造成“死锁了”，我们来复习一下造成死锁的4个条件。

三：死锁的四个条件

1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

 我们来分析一下链表的互相引用符不符合上面四个条件：

①互斥条件：链表上的节点同一时间此时被两个线程占用，两个线程占用访问节点的权利，符合该条件

②请求和保持条件：Thread1保持着节点e1，又提出了占用节点e2(此时尚未释放e2)；而Thread2此时占用e2,又提出了占用节点e1，Thread1占用着Thread2接下来要用的e1,而Thread2又占用着Thread1接下来要用的e2，符合该条件

③：不剥夺条件：线程是由自己的退出的，此时并没有任何中断机制（sleep或者wait方法或者interuppted中断），只能由自己释放，满足条件

④：环路等待条件：e1、e2、e3等形成了资源的环形链条，满足该条件

五：解决方法

5.1：使用Collections.synchronizedMap(Map map)方法，可以将HashMap变成一个同步的容器（拥有锁限制的同步机制）

 static Map<String,String > map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());

 synchronizedMap这个方法的原理的话，其实是把这个参数里面的hashMap注入到Collections的内部维护着的一个成员变量Map中，

final Object   mutex;

public V put(K key, V value) {
        synchronized(mutex) {return m.put(key, value);}
 }

其中的mutex,是个不可变的成员变量，通过synchronized这个同步锁块就把整个代码锁住了，从而加上了同步规则。这个方法优点是简单粗暴，缺点就是性能不是很好，因为是阻塞的方式。

5.2：使用concurrentHashMap

static Map<String,String > map = new ConcurrentHashMap<String, String>();

这个方式是使用ConcurrentHashMap，它是线程安全的，

  public V put(K key, V value) {
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        int hash = hash(key.hashCode());
        return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);
    }

 V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            lock();//上锁
            try {
                int c = count;
                if (c++ > threshold) // ensure capacity
                    rehash();
                HashEntry<K,V>[] tab = table;
                int index = hash & (tab.length - 1);
                HashEntry<K,V> first = tab[index];
                HashEntry<K,V> e = first;
                while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
                    e = e.next;

                V oldValue;
                if (e != null) {
                    oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent)
                        e.value = value;
                }
                else {
                    oldValue = null;
                    ++modCount;
                    tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value);
                    count = c; // write-volatile
                }
                return oldValue;
            } finally {
                unlock();
            }
        }

可以看到，concurrentHashMap的put方法是加锁的，它是同步的（采用了ReentrantLock可重入锁），可以保证线程安全。

六：总结

     本文分析了HashMap在并发环境下的严重的问题，并没有我们想象中的那么轻易和简单，会造成的严重的cpu飙升问题，从而产生内存泄露，所以在多线程的环境下一定要慎重慎重！最好不要用，可以取而代之用ConcurrentHashMap，它的内部数据结构与HashMap迥然不同，可以保证线程安全。