本課時我們主要講解為什么 HashMap 是線程不安全的？而對于 HashMap，相信你一定并不陌生，HashMap 是我們平時工作和學習中用得非常非常多的一個容器，也是 Map 最主要的實現類之一，但是它自身并不具備線程安全的特點，可以從多種情況中體現出來，下面我們就對此進行具體的分析。

源碼分析

第一步，我們來看一下 HashMap 中 put 方法的源碼：

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<K,V> 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++ 是一個復合操作modCount++;addEntry(hash, key, value, i);return null; }

在 HashMap 的 put() 方法中，可以看出里面進行了很多操作，那么在這里，我們把目光聚焦到標記出來的 modCount++ 這一行代碼中，相信有經驗的小伙伴一定發現了，這相當于是典型的“i++”操作，正是我們在 06 課時講過的線程不安全的“運行結果錯誤”的情況。從表面上看 i++ 只是一行代碼，但實際上它并不是一個原子操作，它的執行步驟主要分為三步，而且在每步操作之間都有可能被打斷。

• 第一個步驟是讀取；
• 第二個步驟是增加；
• 第三個步驟是保存。

那么我們接下來具體看一下如何發生的線程不安全問題。

我們根據箭頭指向依次看，假設線程 1 首先拿到 i=1 的結果，然后進行 i+1 操作，但此時 i+1 的結果并沒有保存下來，線程 1 就被切換走了，于是 CPU 開始執行線程 2，它所做的事情和線程 1 是一樣的 i++ 操作，但此時我們想一下，它拿到的 i 是多少？實際上和線程 1 拿到的 i 的結果一樣都是 1，為什么呢？因為線程 1 雖然對 i 進行了 +1 操作，但結果沒有保存，所以線程 2 看不到修改后的結果。

然后假設等線程 2 對 i 進行 +1 操作后，又切換到線程 1，讓線程 1 完成未完成的操作，即將 i + 1 的結果 2 保存下來，然后又切換到線程 2 完成 i = 2 的保存操作，雖然兩個線程都執行了對 i 進行 +1 的操作，但結果卻最終保存了 i = 2 的結果，而不是我們期望的 i = 3，這樣就發生了線程安全問題，導致了數據結果錯誤，這也是最典型的線程安全問題。

所以，從源碼的角度，或者說從理論上來講，這完全足以證明 HashMap 是線程非安全的了。因為如果有多個線程同時調用 put() 方法的話，它很有可能會把 modCount 的值計算錯（上述的源碼分析針對的是 Java 7 版本的源碼，而在 Java 8 版本的 HashMap 的 put 方法中會調用 putVal 方法，里面同樣有 ++modCount 語句，所以原理是一樣的）。

實驗：擴容期間取出的值不準確

剛才我們分析了源碼，你可能覺得不過癮，下面我們就打開代碼編輯器，用一個實驗來證明 HashMap 是線程不安全的。

為什么說 HashMap 不是線程安全的呢？我們先來講解下原理。HashMap 本身默認的容量不是很大，如果不停地往 map 中添加新的數據，它便會在合適的時機進行擴容。而在擴容期間，它會新建一個新的空數組，并且用舊的項填充到這個新的數組中去。那么，在這個填充的過程中，如果有線程獲取值，很可能會取到 null 值，而不是我們所希望的、原來添加的值。所以我們程序就想演示這種情景，我們來看一下這段代碼：

public class HashMapNotSafe {public static void main(String[] args) {final Map<Integer, String> map = new HashMap<>();final Integer targetKey = 0b1111_1111_1111_1111; // 65 535final String targetValue = "v";map.put(targetKey, targetValue);new Thread(() -> {IntStream.range(0, targetKey).forEach(key -> map.put(key, "someValue"));}).start();while (true) {if (null == map.get(targetKey)) {throw new RuntimeException("HashMap is not thread safe.");}}} }

代碼中首先建立了一個 HashMap，并且定義了 key 和 value， key 的值是一個二進制的 1111_1111_1111_1111，對應的十進制是 65535。之所以選取這樣的值，就是為了讓它在擴容往回填充數據的時候，盡量不要填充得太快，比便于我們能捕捉到錯誤的發生。而對應的 value 是無所謂的，我們隨意選取了一個非 null 的 “v” 來表示它，并且把這個值放到了 map 中。

接下來，我們就用一個新的線程不停地往我們的 map 中去填入新的數據，我們先來看是怎么填入的。首先它用了一個 IntStream，這個 range 是從 0 到之前所講過的 65535，這個 range 是一個左閉右開的區間，所以會從 0、1、2、3……一直往上加，并且每一次加的時候，這個 0、1、2、3、4 都會作為 key 被放到 map 中去。而它的 value 是統一的，都是 “someValue”，因為 value 不是我們所關心的。

然后，我們就會把這個線程啟動起來，隨后就進入一個 while 循環，這個 while 循環是關鍵，在 while 循環中我們會不停地檢測之前放入的 key 所對應的 value 還是不是我們所期望的字符串 “v”。我們在 while 循環中會不停地從 map 中取 key 對應的值。如果 HashMap 是線程安全的，那么無論怎樣它所取到的值都應該是我們最開始放入的字符串 “v”，可是如果取出來是一個 null，就會滿足這個 if 條件并且隨即拋出一個異常，因為如果取出 null 就證明它所取出來的值和我們一開始放入的值是不一致的，也就證明了它是線程不安全的，所以在此我們要拋出一個 RuntimeException 提示我們。

下面就讓我們運行這個程序來看一看是否會拋出這個異常。一旦拋出就代表它是線程不安全的，這段代碼的運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: HashMap is not thread safe. at lesson29.HashMapNotSafe.main(HashMapNotSafe.java:25)

很明顯，很快這個程序就拋出了我們所希望看到的 RuntimeException，并且我們把它描述為：HashMap is not thread safe，一旦它能進入到這個 if 語句，就已經證明它所取出來的值是 null，而不是我們期望的字符串 “v”。

通過以上這個例子，我們也證明了HashMap 是線程非安全的。

除了剛才的例子之外，還有很多種線程不安全的情況，例如：

同時 put 碰撞導致數據丟失

比如，有多個線程同時使用 put 來添加元素，而且恰好兩個 put 的 key 是一樣的，它們發生了碰撞，也就是根據 hash 值計算出來的 bucket 位置一樣，并且兩個線程又同時判斷該位置是空的，可以寫入，所以這兩個線程的兩個不同的 value 便會添加到數組的同一個位置，這樣最終就只會保留一個數據，丟失一個數據。

可見性問題無法保證

我們再從可見性的角度去考慮一下。可見性也是線程安全的一部分，如果某一個數據結構聲稱自己是線程安全的，那么它同樣需要保證可見性，也就是說，當一個線程操作這個容器的時候，該操作需要對另外的線程都可見，也就是其他線程都能感知到本次操作。可是 HashMap 對此是做不到的，如果線程 1 給某個 key 放入了一個新值，那么線程 2 在獲取對應的 key 的值的時候，它的可見性是無法保證的，也就是說線程 2 可能可以看到這一次的更改，但也有可能看不到。所以從可見性的角度出發，HashMap 同樣是線程非安全的。

死循環造成 CPU 100%

下面我們再舉一個死循環造成 CPU 100% 的例子。HashMap 有可能會發生死循環并且造成 CPU 100% ，這種情況發生最主要的原因就是在擴容的時候，也就是內部新建新的 HashMap 的時候，擴容的邏輯會反轉散列桶中的節點順序，當有多個線程同時進行擴容的時候，由于 HashMap 并非線程安全的，所以如果兩個線程同時反轉的話，便可能形成一個循環，并且這種循環是鏈表的循環，相當于 A 節點指向 B 節點，B 節點又指回到 A 節點，這樣一來，在下一次想要獲取該 key 所對應的 value 的時候，便會在遍歷鏈表的時候發生永遠無法遍歷結束的情況，也就發生 CPU 100% 的情況。

所以綜上所述，HashMap 是線程不安全的，在多線程使用場景中如果需要使用 Map，應該盡量避免使用線程不安全的 HashMap。同時，雖然 Collections.synchronizedMap(new HashMap()) 是線程安全的，但是效率低下，因為內部用了很多的 synchronized，多個線程不能同時操作。推薦使用線程安全同時性能比較好的 ConcurrentHashMap。關于 ConcurrentHashMap 我們會在下一個課時中介紹。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程78讲--29 第29讲：HahMap 为什么是线程不安全的？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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