面试题：Java HashMap在多线程环境下的问题及解决方案

Question

在多线程环境中使用Java HashMap会出现哪些问题？请结合源码分析问题产生的原因。针对这些问题，除了使用ConcurrentHashMap外，还可以提出哪些有效的解决方案，并说明各方案的优缺点。

Answer 1

在多线程环境中使用Java HashMap出现的问题及原因

1. 数据丢失或覆盖：
   • 原因：在多线程环境下，当多个线程同时对HashMap进行put操作时，可能会出现数据丢失或覆盖的情况。例如，两个线程同时计算出相同的哈希值，并且在put操作时，第二个线程可能会覆盖第一个线程刚刚插入的数据。从源码角度看，HashMap的put方法没有任何线程同步机制。在JDK 1.8之前，put操作在处理哈希冲突时采用链表法。假设线程A和线程B同时往HashMap中put数据，且哈希冲突，线程A可能在链表头插入节点，线程B也在链表头插入节点，由于没有同步，可能导致数据丢失。在JDK 1.8及之后，引入了红黑树，当链表长度达到一定阈值会转换为红黑树，但同样没有线程同步机制，在多线程插入时仍可能出现数据不一致问题。
2. 死循环（JDK 1.7及之前）：
   • 原因：在JDK 1.7及之前，HashMap的resize方法在多线程环境下可能导致死循环。当多个线程同时检测到需要扩容并执行resize操作时，由于采用头插法，链表顺序会被反转。例如，线程A和线程B同时进行resize操作，线程A可能在处理链表节点时，线程B也在处理相同链表节点，导致链表形成环，从而在后续的get操作时陷入死循环。
3. 线程安全问题：
   • 原因：HashMap不是线程安全的，其方法没有同步修饰符。例如，当一个线程在遍历HashMap时，另一个线程对其进行修改（如remove或put操作），可能会抛出ConcurrentModificationException异常，因为遍历过程中使用的迭代器依赖于modCount变量，当其他线程修改HashMap时，modCount会发生变化，迭代器检测到这种变化就会抛出异常。

除ConcurrentHashMap外的解决方案及优缺点

1. 使用HashTable：
   • 优点：HashTable是线程安全的，其大部分方法（如put、get等）都被synchronized关键字修饰，因此在多线程环境下可以安全使用，不会出现数据不一致等问题。
   • 缺点：性能较低，因为synchronized关键字是对整个HashTable对象进行加锁，当一个线程访问HashTable的任何方法时，其他线程都必须等待，这导致在高并发场景下，锁竞争激烈，性能瓶颈明显。
2. 使用Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())：
   • 优点：通过这种方式创建的线程安全的Map，底层仍然是HashMap，保留了HashMap的高性能特点。同时，利用Collections.synchronizedMap方法返回一个线程安全的Map包装类，对所有可能影响Map状态的方法进行了同步，保证了线程安全。
   • 缺点：虽然解决了线程安全问题，但在高并发场景下，由于是对整个Map对象加锁，锁粒度较大，会导致性能下降。例如，一个线程执行put操作时，其他线程无法执行get操作，降低了并发性能。
3. 使用读写锁ReentrantReadWriteLock：
   • 优点：可以实现读写分离，读操作可以并发执行，提高了读操作的并发性能。当多个线程同时进行读操作时，不会发生锁竞争，只有写操作需要获取独占锁。这种方式适用于读多写少的场景，能显著提高性能。
   • 缺点：代码实现相对复杂，需要手动管理锁的获取和释放。并且如果读写操作比例不当，写操作频繁时，会导致读操作长时间等待写锁释放，影响系统整体性能。同时，如果使用不当，也可能导致死锁等问题。