Javaᶜⁿ 面试突击

线程安全是指在多线程（并发）环境下，多个线程同时操作同一个对象时，不会出现不符合预期的错误结果。然而 HashMap 却是线程不安全的，也就是当多个线程同时操作 HashMap 时，会出现不确定的错误结果。

为什么线程不安全？

HashMap 非线程安全主要是因为 HashMap 的设计中，未采用任何同步机制（锁机制）来保证其安全性。 这一点在它的源码注释中也有说明，如下图所示：

线程不安全问题展现

HashMap 线程不安全主要体现在以下两方面：

  1. 在 JDK 1.7 中的死循环问题
  2. 所有版本中的数据覆盖问题

死循环问题

死循环问题是指在并发环境下，因为多个线程同时进行 put 操作，导致链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，在 get(key) 的时候就会产生死循环。如下图所示：

死循环原因

HashMap 导致死循环的原因是由以下条件共同导致的：

  1. HashMap 使用头插法进行数据插入（JDK 1.8 之前）；
  2. 多线程同时添加；
  3. 触发了 HashMap 扩容。

当满足以上所有条件时，HashMap 就会出现死循环问题。

数据覆盖问题

数据覆盖问题发生在并发添加元素的场景下，它不止出现在 JDK 1.7 版本中，其他版本中也存在此问题，数据覆盖产生的流程如下：

  1. 线程 T1 进行添加时，判断某个位置可以插入元素，但还没有真正的进行插入操作，自己时间片就用完了。
  2. 线程 T2 也执行添加操作，并且 T2 产生的哈希值和 T1 相同，也就是 T2 即将要存储的位置和 T1 相同，因为此位置尚未插入值（T1 线程执行了一半），于是 T2 就把自己的值存入到当前位置了。
  3. T1 恢复执行之后，因为非空判断已经执行完了，它感知不到此位置已经有值了，于是就把自己的值也插入到了此位置，那么 T2 的值就被覆盖了。

具体执行流程如下图所示。

数据覆盖执行步骤一

线程 T1 准备将数据 k1:v1 插入到 Null 处，但还没有真正的执行，自己的时间片就用完了，进入休眠状态了，如下图所示：

数据覆盖执行步骤二

线程 T2 准备将数据 k2:v2 插入到 Null 处，因为此处现在并未有值，如果此处有值的话，它会使用链式法将数据插入到下一个没值的位置上，但判断之后发现此处并未有值，那么就直接进行数据插入了，如下图所示：

数据覆盖执行步骤三

线程 T2 执行完成之后，线程 T1 恢复执行，因为线程 T1 之前已经判断过此位置没值了，所以会直接插入，此时线程 T2 插入的值就被覆盖了，如下图所示：

解决方案

HashMap 非线程安全的解决方案有以下几个：

  1. 使用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代 HashMap；
  2. 使用线程安全容器 Hashtable 替代 HashMap（此方式性能不高，不推荐使用）；
  3. 在进行 HashMap 操作时，使用 synchronized 或 Lock 加锁执行。

小结

HashMap 线程不安全的主要原因，是因为 HashMap 的设计中未采用任何同步机制（锁机制）来保证其安全性。它的线程不安全主要表现在死循环问题和数据覆盖的问题上。可以实现线程安全的容器，如 ConcurrentHashMap 或 Hashtable，或者是使用同步机制 synchronized 或 Lock 来保证其并发操作的安全性。

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