Java 集合：（三十二）集合中其他重要问题

一、快速失败(fail-fast)

　　1、什么是快速失败(fail-fast)？

　　　　快速失败(fail-fast) 是 Java 集合（Collection）的⼀种错误检测机制。

　　　　在使⽤迭代器对集合进⾏遍历的时候，我们在多线程下操作⾮安全失败(fail-safe)的集合类可能就会触发 fail-fast 机制，导致抛出 ConcurrentModificationException 异常。

 

　　　　另外，在单线程下，如果在遍历过程中对集合对象的内容进⾏了修改的话也会触发 fail-fast 机制。

　　　　注：增强 for 循环也是借助迭代器进⾏遍历。

 

　　2、案例

　　　　例如：多线程下，如果线程 1 正在对集合进⾏遍历，此时线程 2 对集合进⾏修改（增加、删除、修改），或者线程 1 在遍历过程中对集合进⾏修改，都会导致线程 1 抛出 ConcurrentModificationException 异常。

　　　　例如：当某一个线程 A 通过 iterator 去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变 了，那么线程 A 访问集合时，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，产生 fail-fast 事 件。这里的操作主要是指 add、remove 和 clear，对集合元素个数进行修改。

 

　　3、为什么这样呢？

　　　　这就是常说的fail-fast(快速失败)机制，这个就需要从一个变量说起

transient int modCount;

　　　　　　在HashMap等集合中有一个名为modCount的变量，它用来表示集合被修改的次数，修改指的是插入元素或删除元素，可以回去看看插入删除部分的源码，在最后都会对modCount进行自增。

 

　　　　当我们在遍历HashMap时，每次遍历下一个元素前都会对modCount进行判断，若和原来的不一致说明集合结果被修改过了，然后就会抛出异常，这是Java集合的一个特性，我们这里以keySet为例，看看部分相关源码：

public Set<K> keySet() {
    Set<K> ks = keySet;
    if (ks == null) {
        ks = new KeySet();
        keySet = ks;
    }
    return ks;
}

final class KeySet extends AbstractSet<K> {
    public final Iterator<K> iterator()     { return new KeyIterator(); }
    // 省略部分代码
}

final class KeyIterator extends HashIterator implements Iterator<K> {
    public final K next() { return nextNode().key; }
}

/*HashMap迭代器基类，子类有KeyIterator、ValueIterator等*/
abstract class HashIterator {
    Node<K,V> next;        //下一个节点
    Node<K,V> current;     //当前节点
    int expectedModCount;  //修改次数
    int index;             //当前索引
    //无参构造
    HashIterator() {
        expectedModCount = modCount;
        Node<K,V>[] t = table;
        current = next = null;
        index = 0;
        //找到第一个不为空的桶的索引
        if (t != null && size > 0) {
            do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
        }
    }
    //是否有下一个节点
    public final boolean hasNext() {
        return next != null;
    }
    //返回下一个节点
    final Node<K,V> nextNode() {
        Node<K,V>[] t;
        Node<K,V> e = next;
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();//fail-fast
        if (e == null)
            throw new NoSuchElementException();
        //当前的链表遍历完了就开始遍历下一个链表
        if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
            do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
        }
        return e;
    }
    //删除元素
    public final void remove() {
        Node<K,V> p = current;
        if (p == null)
            throw new IllegalStateException();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        current = null;
        K key = p.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, false);//调用外部的removeNode
        expectedModCount = modCount;
    }
}

 

　　　　相关代码如下，可以看到若modCount被修改了则会抛出ConcurrentModificationException异常。相关代码如下，可以看到若modCount被修改了则会抛出ConcurrentModificationException异常。

if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();

　　

　　4、ArrayList 类中

　　　　（1）添加方法

 

　　　　（2）删除方法

　　　　可以看出，两个操作都会进行 modCount 的修改。

　　　　当我们使用迭代器或 foreach 遍历时，如果你在 foreach 遍历时，自动调用迭代器的迭代方法，此时在遍历过程中调用了集合的add,remove方法时，modCount就会改变，而迭代器记录的modCount是开始迭代之前的，如果两个不一致，就会报异常，说明有两个线路（线程）同时操作集合。这种操作有风险，为了保证结果的正确性， 避免这样的情况发生，一旦发现modCount与expectedModCount不一致，立即报错。

　 　　此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改， 否则在任何时间以任何方式对列表进行修改， 迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。 因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败， 而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。

　　5、那么如何在遍历时删除元素呢？

　　　　我们可以看看迭代器自带的remove方法，其中最后两行代码如下：

removeNode(hash(key), key, null, false, false);//调用外部的removeNode
expectedModCount = modCount;

　　　　意思就是会调用外部remove方法删除元素后，把 modCount 赋值给 expectedModCount，这样的话两者一致就不会抛出异常了，所以我们应该这样写：

        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("1", 1);
        map.put("2", 2);
        map.put("3", 3);
        Iterator<String> iterator = map.keySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            if (iterator.next().equals("2"))
                iterator.remove();
        }    

 

　　　　这里还有一个知识点就是在遍历HashMap时，我们会发现  遍历的顺序和插入的顺序不一致，这是为什么？

　　　　在HashIterator源码里面可以看出，它是先从桶数组中找到包含链表节点引用的桶。然后对这个桶指向的链表进行遍历。遍历完成后，再继续寻找下一个包含链表节点引用的桶，找到继续遍历。找不到，则结束遍历。这就解释了为什么遍历和插入的顺序不一致，不懂的同学请看下图：

　　　　　　　

 

　　7、解决快速失败办法

　　　　建议使用“java.util.concurrent 包下的类”去取代“java.util 包下的类”。可以这么理解：在遍历之前，把 modCount 记下来 expectModCount，后面 expectModCount 去 和 modCount 进行比较，如果不相等了，证明已并发了，被修改了，于是抛出 ConcurrentModificationException 异常。

 

二、安全失败(fail-safe)

　　1、什么是安全失败（fail-safe）呢？

　　　　采⽤安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，⽽是先复制原有集合内容，在

拷⻉的集合上进⾏遍历。所以，在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，故不会抛

ConcurrentModificationException 异常。

　　2、

 

三、Arrays.asList()避坑指南

　　1、简介

　　　　Arrays.asList() 在平时开发中还是⽐较常⻅的，我们可以使⽤它将⼀个数组转换为⼀个 List 集合。

String[] myArray = { "Apple", "Banana", "Orange" }；
List<String> myList = Arrays.asList(myArray);

//上⾯两个语句等价于下⾯⼀条语句
List<String> myList = Arrays.asList("Apple","Banana", "Orange");

 

　　　　JDK 源码对于这个⽅法的说明：

/**
*返回由指定数组⽀持的固定⼤⼩的列表。此⽅法作为基于数组和基于集合的API
之间的桥梁，与 Collection.toArray()结合使⽤。返回的List是可序
列化并实现RandomAccess接⼝。
*/
public static <T> List<T> asList(T... a) {
    return new ArrayList<>(a);
}

 

　　2、《阿⾥巴巴 Java 开发⼿册》对其的描述

　　　　Arrays.asList() 将数组转换为集合后,底层其实还是数组，《阿⾥巴巴 Java 开发⼿册》对于这个⽅法有如下描述：

　　　　　　

 

　　3、使⽤时的注意事项总结

　　　　（1）传递的数组必须是对象数组，⽽不是基本类型。

　　　　　　Arrays.asList() 是泛型⽅法，传⼊的对象必须是对象数组。

　　int[] myArray = { 1, 2, 3 };
　　List myList = Arrays.asList(myArray);
　　System.out.println(myList.size());//1
　　System.out.println(myList.get(0));//数组地址值
　　System.out.println(myList.get(1));//报错：ArrayIndexOutOfBoundsException
　　int [] array=(int[]) myList.get(0);
　　System.out.println(array[0]);//1

 

　　　　当传⼊⼀个原⽣数据类型数组时， Arrays.asList() 的真正得到的参数就不是数组中的元素，⽽是数组对象本身！

　　　　此时 List 的唯⼀元素就是这个数组，这也就解释了上⾯的代码。

　　　　我们使⽤包装类型数组就可以解决这个问题。

Integer[] myArray = { 1, 2, 3 };

　　

　　　　（2）使⽤集合的修改⽅法: add() 、 remove() 、 clear() 会抛出异常。

List myList = Arrays.asList(1, 2, 3);
myList.add(4);//运⾏时报错：UnsupportedOperationException
myList.remove(1);//运⾏时报错：UnsupportedOperationException
myList.clear();//运⾏时报错：UnsupportedOperationException

 

　　　　Arrays.asList() ⽅法返回的并不是 java.util.ArrayList ，⽽是 java.util.Arrays 的⼀个内部类,这个内部类并没有实现集合的修改⽅法或者说并没有重写这些⽅法。

List myList = Arrays.asList(1, 2, 3);
System.out.println(myList.getClass());//class java.util.Arrays$ArrayList

 

　　　　下面是 java.util.Arrays$ArrayList 的简易源码，我们可以看到这个类重写的⽅法有哪些。

 private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
 implements RandomAccess, java.io.Serializable
 {
 　　...
 　　@Override
 　　public E get(int index) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public E set(int index, E element) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public int indexOf(Object o) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public boolean contains(Object o) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public void forEach(Consumer<? super E> action) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
 　　　　...
 　　}
 　　@Override
 　　public void sort(Comparator<? super E> c) {
 　　　　...
 　　}
 }

 

　　我们再看⼀下 java.util.AbstractList 的 remove() ⽅法，这样我们就明⽩为啥会抛出 UnsupportedOperationException 。

public E remove(int index) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

 

　　参考：https://javadevnotes.com/java-array-to-list-examples

 

四、