多线程环境下，HashMap 为什么会出现死循环？

本文主要是介绍多线程环境下，HashMap 为什么会出现死循环？，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

引言：HashMap作为一个常用的键值对存储结构，其内部实现在不同的JDK版本中有所演变，但其基本原理始终是通过哈希算法和数组来实现快速查找和存储。我们将探讨HashMap在多线程环境下出现死循环的根本原因，深入分析其中的数据结构特点以及并发修改可能带来的风险。同时，我们将提供解决这些问题的最佳实践和方法，包括使用线程安全的替代品如ConcurrentHashMap以及显式的同步控制策略。

题目

多线程环境下，HashMap 为什么会出现死循环？

推荐解析

HashMap 版本迭代变化

首先要注意 JDK 版本不同， HashMap 实现的数据结构是不一样的，插入过程也有所不同。

在 JDK 1.2 到 JDK 7 期间，HashMap 主要采用了数组 + 链表的结构。

数组 + 链表结构： 哈希桶数组存储元素，每个桶位置上的元素以链表形式存储冲突的键值对。

哈希冲突解决： 使用链表解决哈希冲突，当多个键映射到同一个桶时，通过链表将键值对连接起来。

在 JDK 8 中，HashMap 的数据结构发生了重大变化， 引入了红黑树作为链表的替代结构，当链表中的元素个数超过阈值（默认为 8），链表会转换为红黑树，以提高查找性能（从 O(n) 降低到 O(log n)）。

树化和退化： 当元素被删除，导致链表中元素数量小于 8 时，红黑树会退化为链表，以保持空间利用率和性能。

多线程并发问题根源

1）并发修改： 当多个线程同时修改 HashMap 中的内容（插入、删除操作）时，由于 HashMap 不是线程安全的数据结构，可能导致其内部结构（比如链表或红黑树）被破坏。

2）结构修改与遍历冲突： 如果一个线程在遍历 HashMap 的同时，另一个线程修改了 HashMap 的结构（比如进行了扩容或者链表的插入删除），则可能导致遍历线程抛出 ConcurrentModificationException 异常，或者遍历过程中进入死循环。

3）扩容过程中的问题： HashMap 在达到一定负载因子（默认为 0.75）时会进行扩容操作。如果多个线程同时触发了扩容，可能导致链表或红黑树的节点顺序被打乱，甚至形成环形链表，进而导致遍历或者操作时出现死循环。

常见环形问题和数据修改

1. 链表形成环形问题

在 HashMap 的内部实现中，哈希冲突的解决方案之一是使用链表。当发哈希冲突时，新的元素会被添加到冲突位置的链表末尾。然而，在多线程环境下，如果多个线程同时对同一个桶位置的链表进行操作（比如插入新元素或删除元素），就可能导致链表形成环形的问题。

具体来说，如果一个线程正在向链表尾部添加新元素，而另一个线程同时从链表头部删除元素，就可能出现问题。这种情况下，删除元素的线程可能会破坏链表的结构，使得链表出现环形，导致遍历链表时陷入死循环或者造成程序异常。

2. 并发修改导致数据丢失问题

另一个常见的问题是并发修改导致数据丢失。HashMap 在多线程环境下不是线程安全的数据结构，多个线程同时对 HashMap 进行修改操作（比如插入、删除）可能导致数据丢失或者 HashMap 内部结构异常。

具体来说，如果两个线程同时对同一个桶位置进行操作，比如同时插入元素，由于HashMap的put操作不是原子性的，可能会出现以下情况：

• 线程A读取了桶位置，发现为空，准备插入新元素；
• 线程B也读取了同一个桶位置，同样发现为空，也准备插入新元素；
• 线程A先插入了元素，然后线程B插入时发现桶位置已经有元素了，于是放弃插入。

这样，线程B的插入操作就被覆盖了，导致数据丢失。

解决方案

为了在多线程环境下安全地使用 HashMap，可以采取以下措施：

1）使用线程安全的替代品： 如 ConcurrentHashMap，它在内部实现上采用了更细粒度的锁机制或者无锁的算法，从而提供了更好的并发性能和安全性。

2）显式同步控制： 在对 HashMap 进行操作时，使用 synchronized 关键字或者显式锁（如 ReentrantLock）来保证同一时刻只有一个线程可以修改 HashMap，从而避免并发修改问题。

3）避免迭代过程中的并发修改： 使用迭代器遍历 HashMap 时，如果其他线程修改了 HashMap 的结构，则迭代器会抛出 ConcurrentModificationException 异常。可以通过复制 HashMap 或者使用 ConcurrentHashMap 的迭代器来避免这类问题。

其他补充

鱼聪明 AI 的回答：

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ConcurrentHashMap 的版本演变

1. JDK 1.5 - Segment 分段锁

   初始版本的 ConcurrentHashMap 使用了 Segment 分段锁的策略。具体特点包括：

   • 内部结构：采用了数组 + 链表的形式，每个 Segment 是一个独立的 HashMap，相当于把整个存储空间分成多个小的 HashMap，每个 Segment 都独享一把锁。
   • 并发控制：每个 Segment 内部使用了 synchronized 关键字来保证线程安全，不同的 Segment 之间可以并发执行，提高了并发度。
   • 扩容：每个 Segment 都可以独立进行扩容，减少了扩容时的锁竞争。

2. JDK 1.8 - CAS 和 synchronized 的组合

   JDK 1.8 对 ConcurrentHashMap 进行了优化，主要改进包括：

   • 数据结构：内部仍然采用 Segment 数组，但链表结构进行了优化，引入了红黑树来替代链表，提高了查找性能。
   • 并发控制：引入了 CAS（Compare and Swap）操作来代替 synchronized，对于绝大多数操作，只有在必要时才会使用 synchronized 进行同步，减少了锁竞争的频率，提高了并发性能。
   • 扩容：整体上也采用了更高效的扩容机制，减少了扩容时的线程阻塞时间。

3. JDK 10+ - 数组扩容优化

   在后续的 JDK 版本中，ConcurrentHashMap 进一步优化了数组的扩容机制，使得扩容过程更加平滑和高效，减少了扩容操作对整体性能的影响。

ConcurrentHashMap 的插入数据过程

ConcurrentHashMap 的插入操作涉及到并发控制和数据结构的维护，整个过程可以简要描述如下：

1. 计算哈希值和确定 Segment：
   • 根据键的哈希值计算出要插入的 Segment 的索引位置。
2. 获取锁：
   • 使用 CAS 操作或者 synchronized 关键字获取对应 Segment 的锁。在 JDK 1.8 及之后的版本中，大多数情况下会使用 CAS 操作来尝试获取锁，只有在冲突或必要时才会使用 synchronized 来确保线程安全。
3. 插入操作：
   • 在获取到锁之后，执行插入操作。这包括将键值对添加到对应的链表或红黑树中，根据当前桶中元素的数量决定是否进行链表转换为红黑树的操作。
   • 如果插入操作需要扩容 HashMap，会触发扩容操作，但在扩容时仍然会保持对 Segment 的锁定，以确保在扩容期间数据的一致性和线程安全性。
4. 释放锁：
   • 插入完成后，释放对应 Segment 的锁，允许其他线程对该 Segment 进行操作。

总体来说，ConcurrentHashMap 通过分段锁（JDK 1.5）或者更细粒度的并发控制（JDK 1.8 及之后版本）来保证在高并发场景下的线程安全性和性能。它的插入数据过程结合了哈希计算、并发控制和数据结构优化，确保在多线程环境下能够高效地处理插入操作，并且不会出现数据错乱或不一致的问题。

欢迎交流

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1）如何确保在多个线程同时访问和修改 HashMap 时数据的一致性？

2）普通的 HashMap 在多线程环境中可能会引发哪些异常，并如何处理这些异常？

3）在高并发情况下，普通的 HashMap 可能会导致什么样的性能问题，以及如何优化或避免这些问题？

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