不正当使用HashMap导致cpu 100%的问题追究

原文出处：并发编程网

因最近hashmap误用引起的死循环又发生了一些案例，左耳朵浩子写了一篇blog 疫苗：Java HashMap的死循环，看了一下，大家的分析如出一辙。这篇blog也是好几年前写的了，之前在平台技术部的博客上贴过，随着组织结构的调整，那个博客可能不再维护，把这篇文章在这儿也保存一下。

李鹏同学在blog里写了篇关于HashMap死锁模拟的文章: http://blog.csdn.net/madding/archive/2010/08/25/5838477.aspx 做个纠正,那个不是死锁问题,而是死循环。

这个问题,我们以前讨论过。校长之前的博客和淘宝的毕玄的《分布式Java应用:基础与实践》一书中都提到过 velocity导致cpu 100% 的bug,起因是HashMap的使用不当所致。

在之前的邮件列表里,校长提出过这个问题,当时我没仔细看,不清楚这个问题究竟是对 HashMap的误用,还是HashMap的潜在问题, 当时感觉不太可能是HashMap自身的问题,否则问题大了。应该是属于在并发的场景下错误的使用了HashMap。昨天看了李鹏的blog后,觉得这个事情还是应该搞清楚一下;虽然我推测是链表形成闭环,但没有去证明过。从网上找了一下: http://blog.csdn.net/autoinspired/archive/2008/07/16/2662290.aspx 里面也有提到:

产生这个死循环的根源在于对一个未保护的共享变量 — 一个”HashMap”数据结构的操作。当在所有操作的方法上加了”synchronized”后,一切恢复了正常。检查”HashMap”(Java SE 5.0)的源码,我们发现有潜在的破坏其内部结构最终造成死循环的可能。在下面的代码中,如果我们使得 HashMap中的entries进入循环,那么”e.next()”永远都不会为null。

不仅get()方法会这样,put()以及其他对外暴露的方法都会有这个风险,这算jvm的bug吗?应该说不是的,这个现象很早以前就报告出来了(详细见: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457)。Sun的工程师并不认为这是bug,而是建议在这样的场景下应用”ConcurrentHashMap”,在构建可扩展的系统时应将这点纳入规范中。

这篇翻译提到了对HashMap的误用,但它没有点破HashMap内部结构在什么样误用情况下怎么被破坏的;我想要一个有力的场景来弄清楚。再从李鹏的blog来看,用了2个线程来put就模拟出来了,最后堆栈是在transfer方法上(该方法是数据扩容时将数据从旧容器转移到新容器)。仔细分析了一下里面的代码,基本得出了原因,证明了我之前的推测。

假设扩容时的一个场景如下(右边的容器是一个长度 2 倍于当前容器的数组) 单线程情况。

我们分析数据转移的过程,主要是链表的转移。

执行过一次后的状态:

最终的结果:

两个线程并发情况下,扩容时可能会创建出 2 个新数组容器

顺利的话,最终转移完可能是这样的结果

但并发情况下,出现死循环的可能场景是什么呢? 还要详细的分析一下代码,下面的代码中重点在do/while循环结构中(完成链表的转移)。

// 扩容操作,从一个数组转移到另一个数组  void transfer(Entry[] newTable) {       Entry[] src = table;      int newCapacity = newTable.length;       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; //假设第一个线程执行到这里                   int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                  e.next = newTable[i];                  newTable[i] = e;                  e = next;              } while (e != null); // 可能导致死循环          }      }  }

2 个线程并发情况下, 当线程 1 执行到上面第 9 行时,而线程 2 已经完成了一轮 do/while 操作,那么它的状态如下图:
(上面的数组时线程 1 的,已经完成了链表数据的转移;下面的是线程 2 的,它即将开始进行对链表数据的转移,此时它记录 E1 和 E2 的首位已经被线程 1 翻转了)