為什麼不建議使用自定義Object作為HashMap的key？

架構悟道發表於2022-06-29
ObjectHashMap

此前部門內的一個線上系統上線後記憶體一路飆高、一段時間後直接佔滿。協助開發人員去分析定位，發現記憶體中某個Object的量遠遠超出了預期的範圍，很明顯出現記憶體洩漏了。

結合程式碼分析發現，洩漏的這個物件，主要存在一個全域性HashMap中，是作為HashMap的Key值。第一反應就是這裡key對應類沒有去覆寫equals()和hashCode()方法，但對照程式碼仔細一看卻發現其實已經按要求提供了自定義的equals和hashCode方法了。進一步走讀業務實現邏輯，才發現了其中的玄機。

踩坑歷程回顧

鑑於專案程式碼相對保密，這裡舉個簡單的DEMO來輔助說明下。

場景：
記憶體中構建一個HashMap<User, List<Post>>對映集，用於儲存每個使用者最近的發帖資訊(只是個例子，實際工作中如果遇到這種使用者發帖快取的場景，一般都是用的集中快取，而不是單機快取)。

使用者資訊User類定義如下：

@Data
public class User {
    // 使用者名稱稱
    private String userName;
    // 賬號ID
    private String accountId;
    // 使用者上次登入時間，每次登入的時候會自動更新DB對應時間
    private long lastLoginTime;
    // 其他欄位，忽略

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        User user = (User) o;
        return lastLoginTime == user.lastLoginTime &&
                Objects.equals(userName, user.userName) &&
                Objects.equals(accountId, user.accountId);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(userName, accountId, lastLoginTime);
    }
}

實際使用的時候,使用者發帖之後，會將這個帖子資訊新增到使用者對應的快取中。


/**
 *  將發帖資訊加入到使用者快取中
 *
 * @param currentUser 當前使用者
 * @param postContent 帖子資訊
 */
public void addCache(User currentUser, Post postContent) {
    cache.computeIfAbsent(currentUser, k -> new ArrayList<>()).add(postContent);
}

當實際執行的時候，會發現問題就來了，Map中的記錄越來越多，遠超系統內實際的使用者數量。為什麼呢？仔細看下User類就可以知道了！

原來編碼的時候直接用IDE工具自動生成的equals和hashCode方法，裡面將lastLoginTime也納入計算邏輯了。這樣每次使用者重新登入之後，對應hashCode值也就變了，這樣發帖的時候判斷使用者是不存在Map中的，就會再往map中插入一條，隨著時間的推移，記憶體中資料就會越來越多，導致記憶體洩漏。

這麼一看，其實問題很簡單。但是實際編碼的時候，很多人往往又會忽略這些細節、或者當時可能沒有這個場景，後面維護的人新增了點邏輯，就會出問題 —— 說白了，就是埋了個坑給後面的人踩上了。

hashCode覆寫的講究

hashCode，即一個Object的雜湊碼。HashCode的作用：

  • 對於List、陣列等集合而言，HashCode用途不大；
  • 對於HashMap\HashTable\HashSet等集合而言，HashCode有很重要的價值。

HashCode在上述HashMap等容器中主要是用於尋域，即尋找某個物件在集合中的區域位置，用於提升查詢效率。

一個Object物件往往會存在多個屬性欄位，而選擇什麼屬性來計算hashCode值，具有一定的考驗：

  • 如果選擇的欄位太多，而HashCode()在程式執行中呼叫的非常頻繁，勢必會影響計算效能；
  • 如果選擇的太少，計算出來的HashCode勢必很容易就會出現重複了。

為什麼hashCode和equals要同時覆寫

這就與HashMap的底層實現邏輯有關係了。

對於JDK1.8+版本中，HashMap底層的資料結構形如下圖所示，使用陣列+連結串列或者紅黑樹的結構形式：

給定key進行查詢的時候，分為2步：

  1. 呼叫key物件的hashCode()方法，獲取hashCode值，然後換算為對應陣列的下標，找到對應下標位置；
  2. 根據hashCode找到的陣列下標可能會同時對應多個key（所謂的hash碰撞，不同元素產生了相同的hashCode值），這個時候使用key物件提供的equals()方法，進行逐個元素比對，直到找到相同的元素，返回其所對應的值。

根據上面的介紹，可以概括為：

  • hashCode負責大概定位，先定位到對應片區
  • equals負責在定位的片區內，精確找到預期的那一個

這裡也就明白了為什麼hashCode()和equals()需要同時覆寫。

資料退出機制的兜底

其實，說到這裡，全域性Map出現記憶體洩漏，還有一點就是編碼實現的時候缺少對資料退出機制的考慮。
參考下redis之類的依賴記憶體的快取中介軟體，都有一個繞不開的兜底策略，即資料淘汰機制。

對於業務類編碼實現的時候，如果使用Map等容器類來實現全域性快取的時候，應該要結合實際部署情況，確定記憶體中允許的最大資料條數，並提供超出指定容量時的處理策略。比如我們可以基於LinkedHashMap來定製一個基於LRU策略的快取Map，來保證記憶體資料量不會無限制增長，這樣即使程式碼出問題也只是這一個功能點出問題，不至於讓整個程式當機。


public class FixedLengthLinkedHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private static final long serialVersionUID = 1287190405215174569L;
    private int maxEntries;

    public FixedLengthLinkedHashMap(int maxEntries, boolean accessOrder) {
        super(16, 0.75f, accessOrder);
        this.maxEntries = maxEntries;
    }
    
    /**
     *  自定義資料淘汰觸發條件，在每次put操作的時候會呼叫此方法來判斷下
     */
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        return size() > maxEntries;
    }
}

總結

梳理下幾個要點：

  • 最好不要使用Object作為HashMap的Key
  • 如果不得已必須要使用，除了要覆寫equals和hashCode方法
  • 覆寫的equals和hashCode方法中一定不能有頻繁易變更的欄位
  • 記憶體快取使用的Map，最好對Map的資料記錄條數做一個強制約束，提供下資料淘汰策略。

好啦，關於這個問題的分享就到這裡咯，你是否有在工作中遇到此類相同或者相似的問題呢？歡迎一起分享討論下哦~

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