JDK1.7中HashMap死環問題及JDK1.8中對HashMap的優化源碼詳解

• 2019 年 10 月 16 日
• 筆記

一、JDK1.7中HashMap擴容死鎖問題

我們首先來看一下JDK1.7中put方法的源碼

我們打開addEntry方法如下，它會判斷數組當前容量是否已經超過的閾值，例如假設當前的數組容量是16，載入因子為0.75，即超過了12，並且剛好要插入的索引處有元素，這時候就需要進行擴容操作，可以看到resize擴容大小是原數組的兩倍，仍然符合數組的長度是2的指數次冪

我們再進入resize方法如下，它首先會對之前的數組容量進行判斷，看是否已經達到了數組最大容量，如果沒有，後面會進行數組的轉移操作，即transfer方法

我們先來看一下進行轉移操作的方法，JDK1.7中HashMap存在死鎖問題的原因也主要集中在這
假設我們有這樣一個HashMap，如下

現在需要對其進行擴容操作(假設已經達到擴容閾值，忽略其他元素)

根據源碼中，此時會產生連個指針，一個e指針，指向當前節點，另一個節點為next，指向e的下一個節點，即e.next，如下圖所示

源碼中的if判斷實現的是重哈希，indexFor操作實現的是重新定位當前節點在新數組中的位置，我們來看一下新數組

假設此時還是定位到數組3號位

接著看源碼e.next = newTable[i]，即將e.next節點指向了擴容後數組的的3號位，因為這是剛創建的新數組，還是空數組，因此e.next = null,此時指向如下圖所示

接著執行下一步newTable[i] = e，即將當前節點e賦值給剛在新數組找到的新節點，如下圖所示

最後一步e = next，即：

至此，while循環的第一遍結束，此時e指向楊過這個節點，很明顯不為空，會進行第二次循環，重複以上操作，最後產生的效果為：

可以楊過和小龍女兩個節點的位置發生了改變了(這也是HashMap為什麼無序的原因)

以上為單執行緒下進行擴容，並不會產生執行緒安全問題，但是如果是多執行緒進行擴容呢

我們假設現在有兩個執行緒同時對數組擴容，每個執行緒都存在兩個指針，執行緒1為e和next，執行緒2為e2和next2

假設此時執行緒2運行到如下紅色框中的程式碼時執行緒阻塞了，對應上圖則是e2指向了小龍女，next2指向了楊過

因為執行緒2被阻塞了，其後面的程式碼就沒法繼續執行了，而此時執行緒1也進入方法進行擴容，擴容後的結果就是單執行緒時擴容後的結果，如上圖所示，此時相比於擴容前的HashMap，楊過和小龍女位置已經調換

此時剛剛被阻塞的的執行緒2被喚醒了，注意此時執行緒2中兩個指針的指向，如下圖所示

此時執行緒2執行e.next = newTable[i]這一行，即e2的下一個節點指向其擴容的新數組，如下圖所示：

再執行下面的newTable[i] = e，即將小龍女這個節點填入數組中，如下

現在指向最後一步e = next,由於此時next2還指向執行緒1擴容後數組中的楊過節點，因此現在e2和next2都指向楊過節點

接著第二次循環，結果如下：

現在進行第三次循環，仍然是e.next = newTable[i]這一行，此時的newTable[i]是楊過節點，因此這步的結果就是小龍女節點又指回了楊過節點

此時又執行e = newTable[i]，結果如下：

最後一步執行完後兩個指針都指向了空

此時新擴容的數組也形成了一個環

以上就是HashMap擴容時死鎖的原因

二、JDK1.8中對HashMap的優化

先看一下JDK8中HashMap源碼

    public V put(K key, V value) {          return putVal(hash(key), key, value, false, true);      }        final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,                     boolean evict) {          Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;          // 容量為空時重新賦值          if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)              n = (tab = resize()).length;          // 元素不存在，則直接插入數組即可          if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)              tab[i] = newNode(hash, key, value, null);          else {              Node<K,V> e; K k;              // 原值已存在，直接替換              if (p.hash == hash &&                  ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                  e = p;              // 如果是 LinkedHashMap 實現的話，會使用紅黑樹作為數據結構，調用其 putTreeVal()              else if (p instanceof TreeNode)                  e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);              else {                  for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                      // 找到最後一個 next 不會 null 的位置，插入元素                      if ((e = p.next) == null) {                          p.next = newNode(hash, key, value, null);                          // 如果樹的深度大於閥值-1, 則重新調整，平衡二叉樹                          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                              treeifyBin(tab, hash);                          break;                      }                      // 找到元素存在，直接進入後續更新                      if (e.hash == hash &&                          ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                          break;                      p = e;                  }              }              // 當元素存在時，更新，並返回舊值              if (e != null) { // existing mapping for key                  V oldValue = e.value;                  // 存在才添加判定                  if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)                      e.value = value;                  // LinkedHashMap 預留                  afterNodeAccess(e);                  return oldValue;              }          }          // 修改+1          ++modCount;          // 容量超過閥值，擴容          if (++size > threshold)              resize();          // LinkedHashMap 預留          afterNodeInsertion(evict);          return null;      }

當容量超過閾值時進行擴容操作，我們進入resize方法，源碼如下

    /**       * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in       * accord with initial capacity target held in field threshold.       * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the       * elements from each bin must either stay at same index, or move       * with a power of two offset in the new table.       *       * @return the table       */      final Node<K,V>[] resize() {          Node<K,V>[] oldTab = table;          int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;          int oldThr = threshold;          int newCap, newThr = 0;          if (oldCap > 0) {              if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {                  threshold = Integer.MAX_VALUE;                  return oldTab;              }              else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&                       oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)                  newThr = oldThr << 1; // double threshold          }          else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold              newCap = oldThr;          else {               // zero initial threshold signifies using defaults              newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;              newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);          }          if (newThr == 0) {              float ft = (float)newCap * loadFactor;              newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?                        (int)ft : Integer.MAX_VALUE);          }          threshold = newThr;          @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})              Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];          table = newTab;          if (oldTab != null) {              for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {                  Node<K,V> e;                  if ((e = oldTab[j]) != null) {                      oldTab[j] = null;                      if (e.next == null)                          newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;                      else if (e instanceof TreeNode)                          ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);                      else { // preserve order                          //這裡定義了兩組頭和尾指針                          Node<K,V> loHead = null, loTail = null;                          Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;                          Node<K,V> next;                          do {                              next = e.next;                              //使用當前結點的hash值與就數組的長度做與運算，如果是0則是低位                              if ((e.hash & oldCap) == 0) {                                  if (loTail == null)                                      loHead = e;                                  else                                      loTail.next = e;                                  loTail = e;                              }                              else {//如果是16則是高位                                  if (hiTail == null)                                      hiHead = e;                                  else                                      hiTail.next = e;                                  hiTail = e;                              }                          } while ((e = next) != null);                          if (loTail != null) {                              loTail.next = null;                              newTab[j] = loHead;                          }                          if (hiTail != null) {                              hiTail.next = null;                              newTab[j + oldCap] = hiHead;                          }                      }                  }              }          }          return newTab;      }

可以看出，當對數組進行遷移時，這裡定義了兩組指針，分別是低位頭和尾、高位頭和尾，舉個例子就能看出為什麼要這麼做，假設舊數組的長度為16

數組長度       0000 0000 0000 1000  hash值        0101 1011 1111 1011 (隨機)  與運算結果只有兩種                0000 0000 0000 1000 ---------16                0000 0000 0000 0000 ---------0

與運算的結果只存在0和16兩種可能，接著往下面的源碼看，如果是0則是低位，如果是16則是高位

這裡就假設與運算的結果為0，那麼數組的指向則變成這樣：

接著執行下面的程式碼，將低位頭部loHead賦值給新數組，在前面我們可以看到j為遍歷舊數組的索引，這樣，就將高位的所有結點都移動到了新數組

接下來，newTable[j] = loHead將高位的尾部置空，再將高位的頭部放到新數組的j + oldCap索引處（當前索引+舊數組的長度），比如說現在的索引是3，再加上數組長度16，最後就是將高位放到新數組的索引為19的地方去，這樣，位置圖就成了如下：

到此，轉移結束，避免了JDK1.7的使用兩個指針可能出現的死環問題

總結：在JDK1.8之後，HashMap底層的數組擴容後遷移的方法進行了優化。把一個鏈表分成了兩組，分成高為和低位分別去遷移，避免了死環問題。而且在遷移的過程中並沒有進行任何的rehash（重新記算hash），提高了性能。它是直接將鏈表給斷掉，進行幾乎是一個均等的拆分，然後通過頭指針的指向將整體給遷移過去，這樣就減小了鏈表的長度。