为什么HashMap非线程安全

上篇《HashMap底层数据结构原理》我们介绍了HashMap的底层实现方式。其中我们说HashMap是非线程安全的，那么这篇我们就来详细解释为什么HashMap是非线程安全的。

小明：老师，上次讲了HashMap的底层实现原理，学到很多东西。但是HashMap为什么非线程安全呢，一直想不明白。可以给讲讲吗？

老师：好吧，在分析高并发场景之前，我们需要先搞清楚[ReHash]这个概念。

小明：Rehash?那是什么东东？

老师：Rehash是HashMap在扩容时候的一个步骤。

HashMap的容量是有限的。当经过多次元素插入，使得HashMap达到一定饱和度时，Key映射位置发生冲突的几率会逐渐提高。这时候，HashMap需要扩展它的长度，也就是进行Resize。

影响发生Resize的因素有两个：

1.Capacity

HashMap的当前长度。上一期曾经说过，HashMap的长度是2的幂。

2.LoadFactor

HashMap负载因子，默认值为0.75f。

衡量HashMap是否进行Resize的条件如下：

HashMap.Size >= Capacity * LoadFactor

小明：HashMap的Resize方法，具体做了什么事情呢？

老师：HashMap的Resize不是简单的把长度扩大，而是经过下面两个步骤：

1.扩容

创建一个新的Entry空数组，长度是原数组的2倍。

2.ReHash

遍历原Entry数组，把所有的Entry重新Hash到新数组。为什么要重新Hash呢？因为长度扩大以后，Hash的规则也随之改变。

让我们回顾一下Hash公式：

index = HashCode（Key） & （Length - 1）

当原数组长度为8时，Hash运算是和111B做与运算；新数组长度为16，Hash运算是和1111B做与运算。Hash结果显然不同。

Resize前的HashMap：

Resize后的HashMap：

ReHash的Java代码如下：

小明：明白了，HashMap真是个完美的设计呢！

老师：并不是。刚才的流程在单线程下执行并没有问题，可惜HashMap并非线程安全的。下面我来演示一下，在多线程环境中，HashMap的Rehash操作可能带来什么样的问题。

注意：下面的内容十分烧脑，请小伙伴们坐稳扶好。

假设一个HashMap已经到了Resize的临界点。此时有两个线程A和B，在同一时刻对HashMap进行Put操作：

此时达到Resize条件，两个线程各自进行Rezie的第一步，也就是扩容：

这时候，两个线程都走到了ReHash的步骤。让我们回顾一下ReHash的代码：

假如此时线程B遍历到Entry3对象，刚执行完红框里的这行代码，线程就被挂起。对于线程B来说：

e = Entry3

next = Entry2

这时候线程A畅通无阻地进行着Rehash，当ReHash完成后，结果如下（图中的e和next，代表线程B的两个引用）：

直到这一步，看起来没什么毛病。接下来线程B恢复，继续执行属于它自己的ReHash。线程B刚才的状态是：

e = Entry3

next = Entry2

当执行到上面这一行时，显然 i = 3，因为刚才线程A对于Entry3的hash结果也是3。

我们继续执行到这两行，Entry3放入了线程B的数组下标为3的位置，并且e指向了Entry2。此时e和next的指向如下：

e = Entry2

next = Entry2

整体情况如图所示：

接着是新一轮循环，又执行到红框内的代码行：

e = Entry2

next = Entry3

整体情况如图所示：

接下来执行下面的三行，用头插法把Entry2插入到了线程B的数组的头结点：

整体情况如图所示：

第三次循环开始，又执行到红框的代码：

e = Entry3

next = Entry3.next = null

最后一步，当我们执行下面这一行的时候，见证奇迹的时刻来临了：

newTable[i] = Entry2

e = Entry3

Entry2.next = Entry3

Entry3.next = Entry2

链表出现了环形！

整体情况如图所示：

此时，问题还没有直接产生。当调用Get查找一个不存在的Key，而这个Key的Hash结果恰好等于3的时候，由于位置3带有环形链表，所以程序将会进入死循环！

小明：好绕啊，脑子都快缺氧了。。。

老师：这一块确实非常绕，多看几遍慢慢理解。

小明：那么，如何杜绝这种情况的产生呢？

老师：有许多方法。在高并发场景下，我们通常采用另一个集合类ConcurrentHashMap。这个集合类兼顾了线程安全和性能。下面我们来总结一下今天的内容：

1.Hashmap在插入元素过多的时候需要进行Resize，Resize的条件是

HashMap.Size >= Capacity * LoadFactor。

2.Hashmap的Resize包含扩容和ReHash两个步骤，ReHash在并发的情况下可能会形成链表环。