漫画:高并发下的HashMap

上一期我们介绍了HashMap的基本原理,没看过的小伙伴们可以点击下面的链接:

漫画:什么是HashMap?

这一期我们来讲解高并发环境下,HashMap可能出现的致命问题。

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HashMap的容量是有限的。当经过多次元素插入,使得HashMap达到一定饱和度时,Key映射位置发生冲突的几率会逐渐提高。

这时候,HashMap需要扩展它的长度,也就是进行Resize。

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影响发生Resize的因素有两个:

1.Capacity
HashMap的当前长度。上一期曾经说过,HashMap的长度是2的幂。

2.LoadFactor
HashMap负载因子,默认值为0.75f。

衡量HashMap是否进行Resize的条件如下:
HashMap.Size >= Capacity * LoadFactor

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1.扩容
创建一个新的Entry空数组,长度是原数组的2倍。

2.ReHash
遍历原Entry数组,把所有的Entry重新Hash到新数组。为什么要重新Hash呢?因为长度扩大以后,Hash的规则也随之改变。

让我们回顾一下Hash公式:
index = HashCode(Key) & (Length - 1)

当原数组长度为8时,Hash运算是和111B做与运算;新数组长度为16,Hash运算是和1111B做与运算。Hash结果显然不同。

Resize前的HashMap:

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Resize后的HashMap:

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ReHash的Java代码如下:

/**
 * Transfers all entries from current table to newTable.
 */
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

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注意:下面的内容十分烧脑,请小伙伴们坐稳扶好。

假设一个HashMap已经到了Resize的临界点。此时有两个线程A和B,在同一时刻对HashMap进行Put操作:

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此时达到Resize条件,两个线程各自进行Rezie的第一步,也就是扩容:

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这时候,两个线程都走到了ReHash的步骤。让我们回顾一下ReHash的代码:

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假如此时线程B遍历到Entry3对象,刚执行完红框里的这行代码,线程就被挂起。对于线程B来说:

e = Entry3

next = Entry2

这时候线程A畅通无阻地进行着Rehash,当ReHash完成后,结果如下(图中的e和next,代表线程B的两个引用):

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直到这一步,看起来没什么毛病。接下来线程B恢复,继续执行属于它自己的ReHash。线程B刚才的状态是:

e = Entry3

next = Entry2
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当执行到上面这一行时,显然 i = 3,因为刚才线程A对于Entry3的hash结果也是3。
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我们继续执行到这两行,Entry3放入了线程B的数组下标为3的位置,并且e指向了Entry2。此时e和next的指向如下:

e = Entry2

next = Entry2

整体情况如图所示:

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接着是新一轮循环,又执行到红框内的代码行:

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e = Entry2

next = Entry3

整体情况如图所示:

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接下来执行下面的三行,用头插法把Entry2插入到了线程B的数组的头结点:

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整体情况如图所示:

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第三次循环开始,又执行到红框的代码:

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e = Entry3
next = Entry3.next = null

最后一步,当我们执行下面这一行的时候,见证奇迹的时刻来临了:
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newTable[i] = Entry2
e = Entry3
Entry2.next = Entry3
Entry3.next = Entry2

链表出现了环形!

整体情况如图所示:

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此时,问题还没有直接产生。当调用Get查找一个不存在的Key,而这个Key的Hash结果恰好等于3的时候,由于位置3带有环形链表,所以程序将会进入死循环!

这种情况,不禁让人联想到一道经典的面试题:

漫画算法:如何判断链表有环?

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1.Hashmap在插入元素过多的时候需要进行Resize,Resize的条件是

HashMap.Size >= Capacity * LoadFactor。

2.Hashmap的Resize包含扩容和ReHash两个步骤,ReHash在并发的情况下可能会形成链表环。

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(全文完)

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