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并发场景下使用 HashMap 可能出现死循环的原因？

news 2025/9/23 15:46:59

在并发场景下使用 HashMap 可能出现死循环，主要原因是 JDK 1.7 及之前版本中 HashMap 的扩容机制（transfer 方法）采用「头插法」迁移链表节点，且未考虑线程安全，导致多线程并发扩容时链表形成环形结构，进而在后续操作（如 get 或 put）中触发无限循环。

具体原因分析（以 JDK 1.7 为例）

HashMap 的底层结构是「数组 + 链表」，当元素数量超过阈值（容量 * 负载因子）时，会触发扩容（数组长度翻倍），并通过 transfer 方法将旧数组的元素迁移到新数组。死循环的根源就在 transfer 方法的并发执行中。

1. 扩容的核心步骤（`transfer` 方法）

迁移链表节点时，JDK 1.7 采用「头插法」：将旧链表的节点按逆序插入新链表（新节点插入到链表头部）。伪代码如下：

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; // 释放旧数组的引用// 遍历旧链表，迁移每个节点到新数组do {Entry<K,V> next = e.next; // 记录下一个节点int i = indexFor(e.hash, newCapacity); // 计算新索引e.next = newTable[i]; // 头插法：新节点的next指向新链表的头newTable[i] = e; // 将新节点设为新链表的头e = next; // 处理下一个节点} while (e != null);}}
}

2. 并发扩容导致链表成环

当两个线程同时对同一个 HashMap 进行扩容时，可能因「头插法」和线程调度顺序导致链表节点的 next 指针形成环：

步骤 1：线程 A 和线程 B 同时开始扩容，都读取到旧数组中某条链表（如 e -> a -> b，e 是头节点）。
步骤 2：线程 A 执行到 Entry<K,V> next = e.next 后暂停（此时 next 指向 a）。
步骤 3：线程 B 正常完成扩容，将旧链表 e -> a -> b 迁移为新链表 b -> a -> e（头插法逆序）。
步骤 4：线程 A 恢复执行，此时它持有的 e 仍指向旧的 e，但 e.next 已被线程 B 修改为 null（因为线程 B 已迁移完 e 并释放了旧引用）。
步骤 5：线程 A 继续迁移 e：e.next 指向新链表的头（此时新链表在 A 看来是空，所以 e.next = null），并将 e 设为新链表头。
步骤 6：线程 A 处理 next（即 a），计算新索引后，a.next 指向当前新链表头 e，并将 a 设为新链表头。此时链表变为 a -> e。
步骤 7：线程 A 处理 a 的下一个节点（即 e，因为线程 B 中 a.next 已改为 e），e.next 指向当前新链表头 a，导致 e -> a 形成环（a.next = e 且 e.next = a）。

3. 死循环的触发

当链表形成环后，后续对该链表的操作（如 get 查找不存在的元素）会陷入无限循环（遍历链表时永远无法到达尾部），导致 CPU 占用率飙升至 100%。

JDK 1.8 的改进

JDK 1.8 中 HashMap 的扩容机制进行了优化：

改用「尾插法」迁移链表节点（保持原链表顺序），避免了逆序插入导致的环。

扩容逻辑的代码重构（`resize` 方法）

JDK 1.8 将扩容逻辑从 transfer 方法整合到 resize 方法中，代码更简洁且避免了旧版本的潜在风险：

迁移节点时，通过 next 指针记录下一个节点，确保遍历顺序稳定。
对于每个链表，先找到迁移后新链表的头节点和尾节点，再将整个链表批量迁移到新数组，减少指针操作的并发风险。

核心代码片段（简化）：

final Node<K,V>[] resize() {// ... 计算新容量、新阈值等省略 ...Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab; // 直接替换旧数组引用for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null; // 释放旧数组引用if (e.next == null) {// 单个节点直接迁移newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;} else if (e instanceof TreeNode) {// 红黑树迁移（单独处理）((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);} else {// 链表迁移（尾插法核心）Node<K,V> loHead = null, loTail = null; // 原索引位置的链表Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; // 新索引位置的链表Node<K,V> next;do {next = e.next;// 判断节点应留在原索引还是迁移到新索引if ((e.hash & oldCap) == 0) {// 尾插法：更新尾节点指针if (loTail == null) loHead = e;else loTail.next = e;loTail = e;} else {if (hiTail == null) hiHead = e;else hiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);// 将两个链表放入新数组的对应位置if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}return newTab;
}

关键改进：