面试突击17：HashMap除了死循环还有什么问题？

2023-11-20 12:21:52

面试合集：https://gitee.com/mydb/interview

本篇的这个问题是一个开放性问题，HashMap 除了死循环之外，还有其他什么问题？总体来说 HashMap 的所有“问题”，都是因为使用（HashMap）不当才导致的，这些问题大致可以分为两类：

程序问题：比如 HashMap 在 JDK 1.7 中，并发插入时可能会发生死循环或数据覆盖的问题。
业务问题：比如 HashMap 无序性造成查询结果和预期结果不相符的问题。

接下来我们一个一个来看。

1.死循环问题

死循环问题发生在 JDK 1.7 版本中，形成的原因是 JDK 1.7 HashMap 使用的是头插法，那么在并发扩容时可能就会导致死循环的问题，具体产生的过程如下流程所示。
HashMap 正常情况下的扩容实现如下图所示：

旧 HashMap 的节点会依次转移到新 HashMap 中，旧 HashMap 转移的顺序是 A、B、C，而新 HashMap 使用的是头插法，所以最终在新 HashMap 中的顺序是 C、B、A，也就是上图展示的那样。有了这些前置知识之后，咱们来看死循环是如何诞生的？

1.1 死循环执行流程一

死循环是因为并发 HashMap 扩容导致的，并发扩容的第一步，线程 T1 和线程 T2 要对 HashMap 进行扩容操作，此时 T1 和 T2 指向的是链表的头结点元素 A，而 T1 和 T2 的下一个节点，也就是 T1.next 和 T2.next 指向的是 B 节点，如下图所示：

1.2 死循环执行流程二

死循环的第二步操作是，线程 T2 时间片用完进入休眠状态，而线程 T1 开始执行扩容操作，一直到线程 T1 扩容完成后，线程 T2 才被唤醒，扩容之后的场景如下图所示：

从上图可知线程 T1 执行之后，因为是头插法，所以 HashMap 的顺序已经发生了改变，但线程 T2 对于发生的一切是不可知的，所以它的指向元素依然没变，如上图展示的那样，T2 指向的是 A 元素，T2.next 指向的节点是 B 元素。

1.3 死循环执行流程三

当线程 T1 执行完，而线程 T2 恢复执行时，死循环就建立了，如下图所示：

因为 T1 执行完扩容之后 B 节点的下一个节点是 A，而 T2 线程指向的首节点是 A，第二个节点是 B，这个顺序刚好和 T1 扩完容完之后的节点顺序是相反的。T1 执行完之后的顺序是 B 到 A，而 T2 的顺序是 A 到 B，这样 A 节点和 B 节点就形成死循环了，这就是 HashMap 死循环导致的原因。

1.4 解决方案

使用线程安全的容器来替代 HashMap，比如 ConcurrentHashMap 或 Hashtable，因为 ConcurrentHashMap 的性能远高于 Hashtable，因此推荐使用 ConcurrentHashMap 来替代 HashMap。

2.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：

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。
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。
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。

2.1 数据覆盖执行流程一

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：

2.2 数据覆盖执行流程二

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：

2.3 数据覆盖执行流程三

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：

2.4 解决方案

解决方案和第一个解决方案相同，使用 ConcurrentHashMap 来替代 HashMap 就可以解决此问题了。

3.无序性问题

这里的无序性问题指的是 HashMap 添加和查询的顺序不一致，导致程序执行的结果和程序员预期的结果不相符，如以下代码所示：

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
    System.out.println(k + "：" + v);
});

我们添加的顺序：

我们期望查询的顺序和添加的顺序是一致的，然而以上代码输出的结果却是：

执行结果和我们预期结果不相符，这就是 HashMap 的无序性问题。我们期望输出的结果是 Hello，Java 1、2、3、4、5，而得到的顺序却是 2、1、4、3、5。

解决方案

想要解决 HashMap 无序问题，我们只需要将 HashMap 替换成 LinkedHashMap 就可以了，如下代码所示：

LinkedHashMap<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
    System.out.println(k + "：" + v);
});

以上程序的执行结果如下图所示：

总结

本文演示了 3 个 HashMap 的经典问题，其中死循环和数据覆盖是发生在并发添加元素时，而无序问题是添加元素的顺序和查询的顺序不一致的问题，这些问题本质来说都是对 HashMap 使用不当才会造成的问题，比如在多线程情况下就应该使用 ConcurrentHashMap，想要保证插入顺序和查询顺序一致就应该使用 LinkedHashMap，但刚开始时我们对 HashMap 不熟悉，所以才会造成这些问题，不过了解了它们之后，就能更好的使用它和更好的应对面试了。

是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

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