一次因HashSet引起的并發問題詳解

為啥要用HahSet?

假如我們現在想要在一大堆數據中查找X數據。LinkedList的數據結構就不說了，查找效率低的可怕。ArrayList哪，如果我們不知道X的位置序號，還是一樣要全部遍歷一次直到查到結果，效率一樣可怕。HashSet天生就是為了提高查找效率的。

背景

上午剛到公司，準備開始一天的摸魚之旅時突然收到了一封監控中心的郵件。

心中暗道不好，因為監控系統從來不會告訴我應用完美無 bug，其實系統挺猥瑣。

打開郵件一看，果然告知我有一個應用的線程池隊列達到閾值觸發了報警。

由于這個應用出問題非常影響用戶體驗；于是立馬讓運維保留現場 dump 線程和內存同時重啟應用，還好重啟之后恢復正常。于是開始著手排查問題。

分析

首先了解下這個應用大概是做什么的。

簡單來說就是從 MQ 中取出數據然后丟到后面的業務線程池中做具體的業務處理。

而報警的隊列正好就是這個線程池的隊列。

跟蹤代碼發現構建線程池的方式如下：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(coreSize, maxSize,
  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());;
  put(poolName,executor);

采用的是默認的 LinkedBlockingQueue 并沒有指定大小（這也是個坑），于是這個隊列的默認大小為 Integer.MAX_VALUE。

由于應用已經重啟，只能從僅存的線程快照和內存快照進行分析。

內存分析

先利用 MAT 分析了內存，的到了如下報告。

其中有兩個比較大的對象，一個就是之前線程池存放任務的 LinkedBlockingQueue，還有一個則是 HashSet。

當然其中隊列占用了大量的內存，所以優先查看，HashSet 一會兒再看。

由于隊列的大小給的夠大，所以結合目前的情況來看應當是線程池里的任務處理較慢，導致隊列的任務越堆越多，至少這是目前可以得出的結論。

線程分析

再來看看線程的分析，這里利用fastthread.io 這個網站進行線程分析。

因為從表現來看線程池里的任務遲遲沒有執行完畢，所以主要看看它們在干嘛。

正好他們都處于 RUNNABLE 狀態，同時堆棧如下：

發現正好就是在處理上文提到的 HashSet，看這個堆棧是在查詢 key 是否存在。通過查看 312 行的業務代碼確實也是如此。

這里的線程名字也是個坑，讓我找了好久。

定位

分析了內存和線程的堆棧之后其實已經大概猜出一些問題了。

這里其實有一個前提忘記講到：

這個告警是凌晨三點發出的郵件，但并沒有電話提醒之類的，所以大家都不知道。

到了早上上班時才發現并立即 dump 了上面的證據。

所有有一個很重要的事實：這幾個業務線程在查詢 HashSet 的時候運行了 6 7 個小時都沒有返回。

通過之前的監控曲線圖也可以看出：

操作系統在之前一直處于高負載中，直到我們早上看到報警重啟之后才降低。

同時發現這個應用生產上運行的是 JDK1.7 ，所以我初步認為應該是在查詢 key 的時候進入了 HashMap 的環形鏈表導致 CPU 高負載同時也進入了死循環。

為了驗證這個問題再次 review 了代碼。

整理之后的偽代碼如下：

//線程池
private ExecutorService executor;
private Set<String> set = new hashSet();
private void execute(){
 
 while(true){
 //從 MQ 中獲取數據
 String key = subMQ();
 executor.excute(new Worker(key)) ;
 }
}
public class Worker extends Thread{
 private String key ;
 public Worker(String key){
 this.key = key;
 }
 @Override
 private void run(){
 if(!set.contains(key)){
 //數據庫查詢
 if(queryDB(key)){
 set.add(key);
 return;
 }
 }
 //達到某種條件時清空 set
 if(flag){
 set = null ;
 }
 } 
}

大致的流程如下：

• 源源不斷的從 MQ 中獲取數據。
• 將數據丟到業務線程池中。
• 判斷數據是否已經寫入了 Set。
• 沒有則查詢數據庫。
• 之后寫入到 Set 中。

這里有一個很明顯的問題，那就是作為共享資源的 Set 并沒有做任何的同步處理。

這里會有多個線程并發的操作，由于 HashSet 其實本質上就是 HashMap，所以它肯定是線程不安全的，所以會出現兩個問題：

• Set 中的數據在并發寫入時被覆蓋導致數據不準確。
• 會在擴容的時候形成環形鏈表。

第一個問題相對于第二個還能接受。

通過上文的內存分析我們已經知道這個 set 中的數據已經不少了。同時由于初始化時并沒有指定大小，僅僅只是默認值，所以在大量的并發寫入時候會導致頻繁的擴容，而在 1.7 的條件下又可能會形成環形鏈表。

不巧的是代碼中也有查詢操作（contains()）,觀察上文的堆棧情況：

發現是運行在 HashMap 的 465 行，來看看 1.7 中那里具體在做什么：

已經很明顯了。這里在遍歷鏈表，同時由于形成了環形鏈表導致這個 e.next 永遠不為空，所以這個循環也不會退出了。

到這里其實已經找到問題了，但還有一個疑問是為什么線程池里的任務隊列會越堆越多。我第一直覺是任務執行太慢導致的。

仔細查看了代碼發現只有一個地方可能會慢：也就是有一個數據庫的查詢。

把這個 SQL 拿到生產環境執行發現確實不快，查看索引發現都有命中。

但我一看表中的數據發現已經快有 7000W 的數據了。同時經過運維得知 MySQL 那臺服務器的 IO 壓力也比較大。

所以這個原因也比較明顯了：

由于每消費一條數據都要去查詢一次數據庫，MySQL 本身壓力就比較大，加上數據量也很高所以導致這個 IO 響應較慢，導致整個任務處理的就比較慢了。

但還有一個原因也不能忽視；由于所有的業務線程在某個時間點都進入了死循環，根本沒有執行完任務的機會，而后面的數據還在源源不斷的進入，所以這個隊列只會越堆越多！

這其實是一個老應用了，可能會有人問為什么之前沒出現問題。

這是因為之前數據量都比較少，即使是并發寫入也沒有出現并發擴容形成環形鏈表的情況。這段時間業務量的暴增正好把這個隱藏的雷給揪出來了。所以還是得信墨菲他老人家的話。

總結

至此整個排查結束，而我們后續的調整措施大概如下：

• HashSet 不是線程安全的，換為 ConcurrentHashMap同時把 value 寫死一樣可以達到 set 的效果。
• 根據我們后面的監控，初始化 ConcurrentHashMap 的大小盡量大一些，避免頻繁的擴容。
• MySQL 中很多數據都已經不用了，進行冷熱處理。盡量降低單表數據量。同時后期考慮分表。
• 查數據那里調整為查緩存，提高查詢效率。
• 線程池的名稱一定得取的有意義，不然是自己給自己增加難度。
• 根據監控將線程池的隊列大小調整為一個具體值，并且要有拒絕策略。
• 升級到 JDK1.8。
• 再一個是報警郵件酌情考慮為電話通知😂。

HashMap 的死循環問題在網上層出不窮，沒想到還真被我遇到了。現在要滿足這個條件還是挺少見的，比如 1.8 以下的 JDK 這一條可能大多數人就碰不到，正好又證實了一次墨菲定律。

好了，以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。