為什麼 HashMap 是線程不安全的？

前言

為什麼說 HashMap 是線程不安全的，下面，一起學習一下吧。

先上一張解釋線程安全的圖

圖中 Main 方法中有三個線程，三個線程共享 num 變量，故 num 變量是 static 修飾的，使用 static 修飾後，由於沒有進行原子操作導致，線程 1 在判斷完 num 大小後，時間片被分配到線程 2 ，線程 2 執行完畢後時間片會到線程 1 ，這個時候線程 1 就輸出了錯誤的 num，這是一個很經典的線程安全問題。

再舉一個複雜點的例子，HashMap，所有人知道 HashMap 是線程不安全的，但是恐怕沒幾個人到底為什麼不安全，更沒多少人能證明不安全。

關於 HashMap 線程不安全可以使用以下代碼復現：

<code>final Map<integer> map = new HashMap<>();
​
final Integer targetKey = 0b1111_1111_1111_1111; // 65 535
final String targetValue = "v";
map.put(targetKey, targetValue);
​
new Thread(() -> {
    IntStream.range(0, targetKey).forEach(key -> map.put(key, "someValue"));
}).start();
​
​
while (true) {
    if (!targetValue.equals(map.get(targetKey))) {
        throw new RuntimeException("HashMap is not thread safe.");
    } 

}/<integer>/<code>

運行

<code>Exception in thread "main" 
java.lang.RuntimeException: HashMap is not thread safe.  at com.example.demo.DMYZDemo.main(DMYZDemo.java:26)/<code>

首先，第5行將 targetKey = targetValue 添加到了 map 中，按道理說這個 targetKey 如果不被刪除，那麼第13行的判斷將會永不成立，但是為什麼拋出了異常呢？

這裡要說下，HashMap 的擴容過程

<code>/**
     * Rehashes the contents of this map into a new array with a
     * larger capacity.  This method is called automatically when the
     * number of keys in this map reaches its threshold.
     *
     * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not
     * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.
     * This has the effect of preventing future calls.
     *
     * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;
     *        must be greater than current capacity unless current
     *        capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value
     *        is irrelevant).
     */
    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {//最大容量為 1 << 30
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
​
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];//新建一個新表 

        boolean oldAltHashing = useAltHashing;
        useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
                (newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;//是否再hash
        transfer(newTable, rehash);//完成舊錶到新表的轉移
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }
​
    /**
     * Transfers all entries from current table to newTable.
     */
    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry e : table) {//遍歷同桶數組中的每一個桶
            while(null != e) {//順序遍歷某個桶的外掛鏈表
                Entry next = e.next;//引用next
                if (rehash) {
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//找到新表的桶位置;原桶數組中的某個桶上的同一鏈表中的Entry此刻可能被分散到不同的桶中去了，有效的緩解了哈希衝突。
                e.next = newTable[i];//頭插法插入新表中
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }/<code>

對於resize的過程，相對來講是比較簡單清晰易於理解的。舊桶數組中的某個桶的外掛單鏈表是通過頭插法插入新桶數組中的，並且原鏈表中的Entry結點並不一定仍然在新桶數組的同一鏈表。

這裡很容易就想到多線程情況下，隱約感覺這個 transfer 方法在多線程環境下會亂套。事實上也是這樣的，由於缺乏同步機制，當多個線程同時 resize 的時候，某個線程 t 所持有的引用 next（參考上面代碼next指向原桶數組中某個桶外掛單鏈表的下一個需要轉移的 Entry ），可能已經被轉移到了新桶數組中，那麼最後該線程t實際上在對新的桶數組進行 transfer 操作。

如果有更多的線程出現這種情況，那很可能出現大量線程都在對新桶數組進行transfer，那麼就會出現多個線程對同一鏈表無限進行鏈表反轉的操作，極易造成死循環，數據丟失等等，因此 HashMap 不是線程安全的，考慮在多線程環境下使用併發工具包下的 ConcurrentHashMap。

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