由多线程引起的map取值为null的分析

昨天写了一个多线程的程序，却发现了一个很奇特的问题，就是我的map对象明明put了，可是get的时候竟然会取到null，而且尝试多次，有时候成功，有时候取到null，并不确定。

程序代码如下：

public class ThreadLocal {
    private static Map<Thread, Integer> map;

    public static void main(String[] args) {
        map = new HashMap<Thread, Integer>();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                public void run() {
                    int data = new Random().nextInt();
                    map.put(Thread.currentThread(), data);
                    System.out.println(Thread.currentThread() + ", data:"
                            + data);
                    new A().show();
                    new B().show();
                }
            }).start();
        }
    }

    static class A {
        public void show() {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "调用A, data:" + map.get(Thread.currentThread()));
        }
    }

    static class B {
        public void show() {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "调用B, data:" + map.get(Thread.currentThread()));
        }
    }
}

运行结果如下：

Thread[Thread-0,5,main], data:1164116165
Thread[Thread-1,5,main], data:196549485
Thread[Thread-0,5,main]调用A, data:null
Thread[Thread-1,5,main]调用A, data:196549485
Thread[Thread-0,5,main]调用B, data:null
Thread[Thread-1,5,main]调用B, data:196549485

我实在想不明白，我明明已经put了，为什么取不到呢？今天我查了资料，并大概看了看源码，大致理解了，这是由HashMap的非线程安全特性引起的。具体源码分析如下所示：

先看看get方法：

public V get(Object key) {  

        if (key == null)  

            return getForNullKey();  

        int hash = hash(key.hashCode());  

        // indexFor方法取得key在table数组中的索引，table数组中的元素是一个链表结构，遍历链表，取得对应key的value  

        for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {  

            Object k;  

            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  

                return e.value;  

        }  

        return null;
}

再看看put方法：

public V put(K key, V value) {  

        if (key == null)  

            return putForNullKey(value);  

        int hash = hash(key.hashCode());  

        int i = indexFor(hash, table.length);  

        for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {  

            Object k;  

            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  

                V oldValue = e.value;  

                e.value = value;  

                e.recordAccess(this);  

                return oldValue;  

            }  

        }  

        modCount++;  

        // 若之前没有put进该key，则调用该方法  

        addEntry(hash, key, value, i);  

        return null;
}

那我们再看看addEntry里面的实现：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  

        Entry e = table[bucketIndex];  

        table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);  

        if (size++ >= threshold)  

            resize(2 * table.length);
}

map里的元素个数(size)大于一个阈值(threshold)时，map将自动扩容，容量扩大到原来的2倍；
阈值(threshold)是怎么计算的？如下源码：

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

阈值 = 容量 X 负载因子；容量默认为16,负载因子(loadFactor)默认是0.75; map扩容后，要重新计算阈值；当元素个数大于新的阈值时，map再自动扩容；
以默认值为例，阈值=16*0.75=12，当元素个数大于12时就要扩容；那剩下的4(如果内部形成了Entry链则大于4)个数组位置还没有放置对象就要扩容，岂不是浪费空间了？
这是时间和空间的折中考虑；loadFactor过大时，map内的数组使用率高了，内部极有可能形成Entry链，影响查找速度；loadFactor过小时，map内的数组使用率旧低，不过内部不会生成Entry链，或者生成的Entry链很短，由此提高了查找速度，不过会占用更多的内存；所以可以根据实际硬件环境和程序的运行状态来调节loadFactor。

继续resize方法：

void resize(int newCapacity) {  //传入新的容量
        Entry[] oldTable = table;  //引用扩容前的Entry数组
        int oldCapacity = oldTable.length;  

        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了 

            threshold = Integer.MAX_VALUE;  //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了
            return;  

        }  

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  //初始化一个新的Entry数组
        transfer(newTable);  //！！将数据转移到新的Entry数组里
        table = newTable;  //HashMap的table属性引用新的Entry数组

        threshold = (int) (newCapacity * loadFactor); //修改阈值
}

resize里面重新new一个Entry数组，其容量就是旧容量的2倍，这时候，需要重新根据hash方法将旧数组分布到新的数组中，也就是其中的transfer方法：

void transfer(Entry[] newTable) {  

        Entry[] src = table;  //src引用了旧的Entry数组
        int newCapacity = newTable.length;  

        for (int j = 0; j < src.length; j++) {  //遍历旧的Entry数组
            Entry e = src[j];  //取得旧Entry数组的每个元素
            if (e != null) {  

                src[j] = null;  //释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象）

                do {  

                    Entry next = e.next;  

                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  //！！重新计算每个元素在数组中的位置

                    e.next = newTable[i];  //标记[1]

                    newTable[i] = e;  //将元素放在数组上

                    e = next;  //访问下一个Entry链上的元素
                } while (e != null);  

            }  

        }  
}

注释标记[1]处，将newTable[i]的引用赋给了e.next，也就是使用了单链表的头插入方式，同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置；这样先放在一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话)；
indexFor()是计算每个元素在数组中的位置，源码： 

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1); //位AND计算
 }

这样，在旧数组中同一条Entry链上的元素，通过重新计算索引位置后，有可能被放到了新数组的不同位置上；
例如，旧数组容量为16，对象A的hash值是4，对象B的hash值是20,对象C的hash值是36；
通过indexFor()计算后，A、B、C对应的数组索引位置分别为4,4,4; 说明这3个对象在数组的同一位置上，形成了Entry链；
旧数组扩容后容量为16*2，重新计算对象所在的位置索引，A、B、C对应的数组索引位置分别为4,20,4; B对象已经被放到别处了；

所以，resize时，HashMap使用新数组代替旧数组，对原有的元素根据hash值重新就算索引位置，重新安放所有对象；resize是耗时的操作。

 

 

说回null的问题，在这个方法里，将旧数组赋值给src，遍历src，当src的元素非null时，就将src中的该元素置null，即将旧数组中的元素置null了，也就是这一句：

if (e != null) {  

        src[j] = null;  

}

此时若有get方法访问这个key，它取得的还是旧数组，当然就取不到其对应的value了。

 

 

下面，我们重现一下场景：

Java代码 

import java.util.HashMap;  

import java.util.Map;  

public class TestHashMap {  

    public static void main(String[] args) {  

        final Map map = new HashMap(4, 0.5f);  

        new Thread(){  

            public void run() {  

                while(true) {   

                    System.out.println(map.get("name1"));  

                    try {  

                        Thread.sleep(1000);  

                    } catch (InterruptedException e) {  

                        e.printStackTrace();  

                    }  

                }  

            }  

        }.start();  

        for(int i=0; i<3; i++) {  

            map.put("name" + i, "value" + i);  

        }  

Debug上面这段程序，在map.put处设置断点，然后跟进put方法中，当i=2的时候就会发生resize操作，在transfer将元素置null处停留片刻，此时线程打印的值就变成null了。

 

 

其它可能由未同步HashMap导致的问题：

1、多线程put后可能导致get死循环（主要问题在于put的时候transfer方法循环将旧数组中的链表移动到新数组）

2、多线程put的时候可能导致元素丢失（主要问题出在addEntry方法的new Entry(hash, key, value,e)，如果两个线程都同时取得了e,则他们下一个元素都是e，然后赋值给table元素的时候有一个成功有一个丢失）

 

 

总结：HashMap在并发程序中会产生许多微妙的问题，难以从表层找到原因。所以使用HashMap出现了违反直觉的现象，那么可能就是并发导致的了。最简单的解决办法就是采用线程安全的HashTable。

 

参考：http://www.th7.cn/Program/java/201412/328052.shtml