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JDK1.7HashMap多线程扩容为什么会死循环示例详解

JDK1.7HashMap多线程扩容时,头插法迁移节点会修改共享节点的next指针,多个线程交叉操作可能导致环形链表,查询时陷入死循环。JDK1.8改用尾插法避免了该问题,但HashMap仍非线程安全,多线程环境应使用ConcurrentHashMap。

一、前言

说到 Ja va 里的 HashMap,几乎每个开发者都打过交道。作为最常用的数据结构之一,它的底层实现其实并不复杂——早期版本的 HashMap 主要依赖数组加链表来组织数据:

JDK1.7HashMap多线程扩容为什么会死循环示例详解

数组 + 链表

到了 JDK 1.8,又多了一个红黑树结构:

数组 + 链表 + 红黑树

但提起老版本(JDK 1.7)的 HashMap,就绕不开一个经典的坑——多线程环境下同时扩容,可能导致链表形成环,进而引发死循环。

这个问题的根源其实很清晰:

JDK 1.7 HashMap 扩容时使用头插法;
头插法会修改节点的 next 指针;
多个线程同时扩容时,会操作同一批节点对象;
最终可能导致 A.next = B,B.next = A,形成环。

看上去有点抽象?别急,我们一步步拆开来看。

二、HashMap 扩容是不是在原数组上改?

当然不是。Ja va 数组一旦创建,长度就固定了,没法原地“变大”。比如你声明一个长度为 16 的数组,不可能让它直接变成 32。

所以 HashMap 扩容的流程是这样的:

1. 创建一个更大的新数组
2. 遍历旧数组中的节点
3. 把旧节点重新挂到新数组中
4. 最后让 table 指向新数组

换句话说,就是:

oldTable 长度 16
扩容后创建 newTable 长度 32
最后 table = newTable

但这里有一个关键点——数组是新的,但节点对象不是新的。

什么意思呢?扩容时并不会复制节点本身,而是把旧数组里的节点对象“搬”到新数组里。例如旧数组中有:

oldTable[3] -> 节点1 -> 节点2 -> null

扩容后,并不是在 newTable 里创建新的节点1和节点2,而是直接复用原来的节点对象:

newTable[3] -> 原来的节点1 / 原来的节点2

节点对象是复用的,这一点非常重要。

三、为什么放到新数组里还要修改 next?

因为数组每个位置只能放一个头节点。如果多个元素命中了同一个桶,就必须通过链表连接起来。比如:

newTable[5] -> 节点1 -> 节点2 -> null

真正维护链表关系的是 next 指针:

节点1.next = 节点2
节点2.next = null

所以扩容迁移时,必然要重新整理节点之间的 next 指针——这也是问题滋生的土壤。

四、JDK 1.7 的头插法是什么?

JDK 1.7 的扩容迁移用的是头插法。核心逻辑简化一下就是:

Entry next = e.next;                // 先保存旧链表中的下一个节点
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);   // 计算新数组下标
e.next = newTable[i];                    // 当前节点指向新桶原来的头节点
newTable[i] = e;                         // 当前节点成为新桶的新头节点
e = next;                                // 继续处理下一个旧节点

最核心的一步就是 e.next = newTable[i]——这句话会修改当前节点的 next 指针。

五、单线程下头插法为什么没问题?

假设旧链表是:

节点1 -> 节点2 -> null

扩容时,一开始新数组桶为空:newTable[i] = null

先迁移节点1:

节点1.next = newTable[i];   // 即 null
newTable[i] = 节点1;

新链表变成:newTable[i] -> 节点1 -> null

再迁移节点2:

节点2.next = newTable[i];   // 此时 newTable[i] 是节点1
newTable[i] = 节点2;

新链表变成:newTable[i] -> 节点2 -> 节点1 -> null

看到了吗?原来的链表顺序被反转了:

原链表:节点1 -> 节点2 -> null
新链表:节点2 -> 节点1 -> null

单线程下这没问题——只是顺序反了,但链表最终仍然指向 null,一切正常。

六、多线程扩容为什么会出问题?

问题就出在:两个线程同时扩容同一个 HashMap。

假设旧数组某个桶中挂了两个节点:

oldTable[3] -> 节点1 -> 节点2 -> null

现在两个线程同时触发了扩容:线程A创建了 newTableA,线程B创建了 newTableB,这两个新数组彼此独立。但注意——

节点1和节点2是同一批旧节点对象。

也就是说,两个线程操作的是同一个节点1和同一个节点2。这就埋下了冲突的种子。

七、详细模拟多线程扩容过程

第一步:线程A开始扩容

线程A准备迁移节点1。它先执行了:

e = 节点1;
next = e.next;

此时:e = 节点1next = 节点2——线程A已经记住了节点1后面是节点2。

但就在这个时候,线程A被 CPU 暂停了。当前旧链表还是完好的:

节点1 -> 节点2 -> null

第二步:线程B开始并完成扩容

线程B也开始处理同一条旧链表。注意,此时节点1和节点2的 next 还是原始状态。

线程B先迁移节点1。它自己的新桶为空:newTableB[i] = null。执行头插法:

节点1.next = newTableB[i];   // 即 null
newTableB[i] = 节点1;

新链表:newTableB[i] -> 节点1 -> null

然后迁移节点2。此时 newTableB[i] = 节点1

节点2.next = newTableB[i];   // 即 节点1
newTableB[i] = 节点2;

新链表:newTableB[i] -> 节点2 -> 节点1 -> null

此时,真实世界中节点对象的关系已经变成:

节点2.next = 节点1
节点1.next = null

也就是:节点2 -> 节点1 -> null

注意——线程B修改的是节点对象自己的 next 字段,而不是只修改它自己的数组。

八、线程A恢复执行,问题出现

线程A之前暂停时保存了 e = 节点1next = 节点2。现在它恢复执行,继续迁移节点1。

线程A自己的新桶为空:newTableA[i] = null。执行头插法:

节点1.next = newTableA[i];   // 即 null
newTableA[i] = 节点1;

线程A的新链表变成:newTableA[i] -> 节点1 -> null

然后线程A执行 e = next,因为之前保存的 next 是节点2,所以 e = 节点2

九、线程A处理节点2

线程A处理节点2时,先取 next = 节点2.next

但是!节点2的 next 已经被线程B改过了(线程B之前执行过 节点2.next = 节点1)。所以线程A拿到的 next = 节点1

然后线程A把节点2头插到自己的新数组中:

节点2.next = newTableA[i];   // 此时 newTableA[i] = 节点1
newTableA[i] = 节点2;

等价于 节点2.next = 节点1。线程A的新链表变成:newTableA[i] -> 节点2 -> 节点1 -> null

接着,线程A执行 e = next,而 next = 节点1——所以线程A又回到了节点1。

十、线程A再次处理节点1,形成环

此时线程A的新桶头节点是节点2:newTableA[i] = 节点2。线程A再次处理节点1,执行头插法:

节点1.next = newTableA[i];   // 即 节点2
newTableA[i] = 节点1;

等价于 节点1.next = 节点2

但前面已经有 节点2.next = 节点1。于是链表变成了:

节点1 -> 节点2 -> 节点1 -> 节点2 -> ...

环形链表,形成了。

十一、为什么形成环后会死循环?

HashMap 查询元素时,会沿着链表一直往后找。核心逻辑类似:

while (e != null) {
    if (e.key.equals(key)) {
        return e.value;
    }
    e = e.next;
}

正常链表最终会走到 null,比如 节点1 -> 节点2 -> null

但如果链表形成了环,比如 节点1 -> 节点2 -> 节点1 -> 节点2 -> ...,那么 e 永远不会变成 null。程序就会陷入无限循环,CPU 占用飙升,看起来就是“卡死了”。

这就是 JDK 1.7 HashMap 多线程扩容死循环问题的完整链条。

十二、关键问题:为什么各自扩容还会互相影响?

核心原因在于:数组是各线程自己的,但节点对象是共享的。

线程A有自己的 newTableA,线程B有自己的 newTableB,但里面存放的地址指向同一批旧节点对象——并不是复制节点。

所以,虽然数组不同,但两个线程修改的是同一个节点对象里的 next 字段。可以把节点理解成这样一个类:

class Entry {
    K key;
    V value;
    Entry next;
}

数组只是保存节点地址:Entry[] table;

扩容时那句 e.next = newTable[i],直接修改了节点对象内部的 next。所以即使没有动旧数组 oldTable[i],也会改变旧节点之间的链表关系。

十三、JDK 1.8 是怎么改进的?

JDK 1.8 对 HashMap 做了几个重要优化,一劳永逸地解决了这个问题。

1. 扩容时不再使用头插法

JDK 1.8 扩容时,会把原桶中的链表拆成两条:

lo 链表:留在原位置
hi 链表:移动到 原位置 + oldCap

判断条件很简单:

if ((e.hash & oldCap) == 0) {
    // 留在原位置
} else {
    // 移动到 原位置 + oldCap
}

2. 使用尾插法,保持链表顺序

JDK 1.7 的头插法会反转链表,而 JDK 1.8 改用尾插法,尽量保持原来的顺序。这就避免了头插法带来的典型成环问题。

3. 引入红黑树

当某个桶里的链表过长,并且数组长度达到一定条件时,链表会转成红黑树,避免查询效率下降。

所以结构变成了:

JDK 1.7:数组 + 链表
JDK 1.8:数组 + 链表 + 红黑树

十四、但是 JDK 1.8 的 HashMap 线程安全吗?

不安全。

虽然 JDK 1.8 优化了扩容逻辑,避免了头插法导致的死循环,但 HashMap 本身仍然不是线程安全的。在多线程环境下,多个线程同时读写仍可能出现:

数据覆盖
数据丢失
size 不准确
结构异常

所以,多线程环境下别用普通的 HashMap,老老实实用 ConcurrentHashMap

十五、面试总结版

如果面试官问起这个问题,可以这样回答:

JDK 1.7 的 HashMap 在扩容时会创建新数组,并把旧数组中的节点迁移过去。数组是新的,但节点对象是复用的,迁移时会修改节点的 next 指针。JDK 1.7 使用头插法迁移链表,这会把链表顺序反转。单线程下没问题,但多线程同时扩容时,多个线程会操作同一批节点对象。如果线程A暂停,线程B完成扩容并反转了链表,线程A恢复后继续使用之前保存的节点引用,就可能出现 节点1.next = 节点2节点2.next = 节点1,形成环。之后执行 get() 操作时,HashMap 会沿着链表一直查找,永远走不到 null,导致死循环,CPU 飙高。

JDK 1.8 改用尾插法和高低位链表拆分,避免了头插法导致的成环问题。但 HashMap 仍然不是线程安全的,多线程环境下应使用 ConcurrentHashMap

十六、一句话总结

JDK 1.7 HashMap 多线程扩容死循环的本质是:新数组是各线程自己的,但节点对象是共享的;头插法迁移会修改节点的 next 指针,多个线程交叉修改后可能形成环形链表,导致查询时永远走不到 null

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