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疫苗:Java HashMap的死循环

2013年5月10日 发表评论 阅读评论 63,789 人阅读    

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<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》)。

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:

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

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。

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:

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

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:

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)


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好烂啊有点差凑合看看还不错很精彩 (49 人打了分,平均分: 4.82 )
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  1. 2013年6月1日16:26 | #1

    多线程当然要用线程安全的容器。

  2. zsuil
    2013年6月5日17:05 | #2

    @小胖

    首先,我和你对描述的理解是一样的。既线程一停顿的时候,e=3,next=7,值已经赋好了。
    3确实会被两次transfer,但是第一次transfer的时候会将3.next置为空(要注意是两个不同的newTable),第二次对3进行transfer后循环即将退出。所以在transfer过程中不会死循环。在get时会出现。

    下面的线程一恢复后的演算:
    *由于线程2已经执行完,所以目前的连接情况是 7->3
    1.第一次循环:将e(3)插入到空的newTable中,并且代码e.next = newTable[i] 将3.next置空为null(因为此时newTable中所有元素为空),此时的链接情况是 7 -> 3 -> null, newTable[3] = 3, 再将变量e指向7
    2.第二次循环:此时e=7,next=3,此时newTable相同下标中已经存在元素3,将7.next=3并插入到newTable中,此时链接情况是 7->3->null, newTable[3]=7, 再将变量e指向3。
    3.第三次循环:此时e=3,next=null,计算3的hash值并将3放到newTable[3]中,此时newTable[3]=7,则将3.next=7,此时的链接情况为 3->7->3….,环形链表出现,但由于此将循环next为空,e=next,e也为空,退出循环。

  3. 小胖
    2013年6月13日20:13 | #3

    @zsuil
    恩,是的,意思是一样的,在这个地方,因为next是被保存为Local变量,所以这个地方会退出,意思一样的,就是transfer两次导致了双向互指,说死循环呢,也是说如果下一个线程访问到这块链表的时候会出现。

  4. 2013年7月19日20:19 | #4

    @小胖 是这样的。 

  5. 2013年7月19日20:24 | #5

    @小胖
    应该是说,在下次调用get时,且传入的值求hash后,与3和7相等,这个例子中例如5,mod都是1,这样就死循环了。

  6. g4_gc
    2013年9月23日21:53 | #6

    ConcurrentHashMap当出现多线程大并发量访问,频繁进行put、get操作,并定时采用FIFO操作进行remove(key)操作,是否会造成内存泄露?

  7. rooyoo
    2013年12月7日02:03 | #7

    transfer方法里,在每次把取得的Entry链rehash前,都先执行了以下命令:
    src[j] = null;
    这使得这个Entry链脱离了原表,其他线程rehash时是没法找到这个数组的,所以博主提出的假设情景大概是不会出现的

  8. 2014年4月13日12:21 | #8

    “整个Hash表里的无素都需要被重算一遍” 有个错别字~ 刚看到这里,接着往下看

  9. Wilem
    2014年8月25日11:35 | #9

    “thredhold” 应该是 “threshold”,意思是门槛,极限值。

  10. fuhuoyeyou
  11. make_sure
    2014年11月24日17:44 | #11

    transfer方法里的局部变量e,next不是线程私有的吗?
    博主这里好像描述成共享的了。。。线程二执行以后改变了线程一transfer方法里的e,next的值,导致并发问题出现了。
    这里我不是很理解,e,next是局部变量,应该是在栈上面的啊,属于线程私有的。。
    很困惑,十分希望博主能解答,谢谢了

  12. make_sure
    2014年11月24日18:10 | #12

    @make_sure
    哦 明白了 一时蒙了 感谢博主的文章

  13. tanqiantot
    2015年1月29日11:16 | #13

    @make_sure
    我觉得e、next确实是现场私有,但是它们之前已经指向了共有的table中的entry。所以即使线程二奖table中entry换了地方,但是entry本身并没有变,只是本身的存储位置或者其next指向发生变化,e和next还是指向原来的entry。
    所以当e和next继续执行时,还是指向原来的entry,但是原来的entry的位置和指向已经变了。从而导致线程一继续执行时,又将原来的entry的指向和位置再次发生变化,最终导致环

  14. 2015年4月9日21:38 | #14

    @rooyoo
    问题不在src的源数组,关键是每个线程都new了一个新的数组,而这些数组在线程栈上是隔离的,所以相当于两个容器都在操作同一份数据,所以产生了这种并发情况

  15. Jenn
    2015年4月17日15:09 | #15

    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。
    有几个错别字:
    thredhold应为threshold的吧,无素应为元素吧。

  16. kaka
    2015年5月26日15:37 | #16

    @rooyoo
    在第一个线程的src[j] = null;执行完之前,有可能有并发的两个线程的e都已经指向了key(3),这个时候就算这个Entry链脱离了原表,但是两个线程都已经取到了链表

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  1. 2013年5月31日01:11 | #1
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