面试题：Java的HashMap在多线程环境下扩容可能会出现什么问题

Question

考虑多线程场景，当多个线程同时对一个HashMap进行操作且涉及到扩容时，可能会引发哪些具体的问题，例如数据丢失、死循环等，分析其原理并说明如何避免这些问题。

Answer 1

可能引发的问题及原理

1. 数据丢失：
   • 原理：在多线程环境下，当多个线程同时对HashMap进行put操作且触发扩容时，由于HashMap的扩容机制是重新计算哈希值并重新分配元素到新的数组。如果多个线程同时进行扩容操作，可能会导致部分元素的丢失。例如，线程A和线程B同时检测到需要扩容，线程A先完成了部分元素的迁移，线程B又开始迁移这些元素，在迁移过程中可能会覆盖线程A已经迁移的部分，导致数据丢失。
2. 死循环：
   • 原理：在JDK 1.7及之前版本的HashMap扩容过程中，采用头插法。当多个线程同时进行扩容操作时，可能会出现链表形成环的情况。假设线程A和线程B同时扩容，线程A在迁移链表节点时，线程B也在进行相同操作。由于头插法的特性，可能会使链表的顺序被打乱，最终形成环。当在这个环上进行遍历等操作时，就会陷入死循环。

避免问题的方法

1. 使用ConcurrentHashMap：
   • 原理：ConcurrentHashMap采用了分段锁（在JDK 1.8后使用CAS + synchronized优化）机制，允许多个线程同时访问不同的段，大大提高了并发性能。在扩容时，它通过多线程协作的方式进行，避免了数据丢失和死循环问题。
   • 示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
ConcurrentHashMap<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();
concurrentHashMap.put("key", 1);

2. 使用Collections.synchronizedMap包装HashMap：
   • 原理：Collections.synchronizedMap方法返回一个线程安全的Map，它通过对整个Map对象加锁来实现线程安全。在进行put、get等操作时，会先获取锁，从而避免多个线程同时操作导致的问题。
   • 示例：

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
Map<String, Integer> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(hashMap);
synchronizedMap.put("key", 1);

• 注意：虽然Collections.synchronizedMap能保证线程安全，但性能相对ConcurrentHashMap较差，因为每次操作都需要获取整个Map的锁。