fail-fast机制
fail-fast机制
fail-fast 机制是java集合(Collection)中的一种错误机制。它只能被用来检测错误，因为JDK并不保证fail-fast机制一定会发生。当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件。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。
这种“ 及时失败” 的迭代器井不是一种完备的处理机制，而只是“ 善意地” 捕获并发错误，因此只能作为并发问题的预警指示器。
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，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。
这里其实就是fail-fast机制的实现原理了，将修改计数器的变化与容器关联起来：首先在构造迭代器的时候，将当前的修改计数器的值保存，之后进行遍历的时候，每访问一个数据，都要检查当前集合的修改次数是否合法，如果有其他线程修改了集合，那么modCount就会被修改，当前修改计数器的值与之前保存的值（即期望值）不同，那么将抛出ConcurrentModificationException。
迭代器迭代、集合方法修改大小触发fail-fast：
modCount是ArrayList中的一个成员变量，它表示集合实际被修改的次数，当ArrayList被创建时就存在了，初始值为0。
expectedModCount 是iterator中的一个成员变量，而iterator是ArrayList的一个内部类，当ArrayList调用iterator（）方法获取一个迭代器时，会创建一个iterator，并且将expectedModCount 初始化为modCount的值。只有该迭代器修改了集合，expectedModCount 才会修改。
集合的remove、add操作只修改了modCount，而没有修改expectedModCount ，这就导致了modCount和expectedModCount 不一致。
解决办法：
使用iterator遍历，使用iterator的remove方法删除元素。
添加：迭代和添加操作ListIterator来完成的（iterator没有添加方法）
iterator的remove方法和ListIterator的add方法都会将modCount赋值给expectedModCount，避免触发fail-fast机制；
expectedModCount = modCount;
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
if("cc".equals(it.next())){
list.add("kk");
}
}
以上代码会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常,迭代器和list同时对集合进行操作
解决办法：事情让一个“人”做 --》引入新的迭代器：ListIterator
迭代和添加操作都是靠ListIterator来完成的：
ListIterator<String> it = list.listIterator();
while(it.hasNext()){
if("cc".equals(it.next())){
it.add("kk");
}
}
之所以会抛出ConcurrentModificationException异常，是因为foreach底层是使用iterator来遍历，但是循环中元素的添加或者删除却是调用集合本身的方法，导致iterator在遍历过程中，发现有元素在自己不知不觉的情况下添加/删除了，就会抛出异常，告知用户可能会并发修改问题！
所以在循环中如果想要进行remove操作的话，务必使用iterator方式。另外，当出现ConcurrentModificationException，优先考虑fail-fast相关的情况，上面的例子其实并没有真正发生并发，而是fail-fast的保护机制。
并发情况触发fail-fast：
下面示例并发触发fail-fast的保护机制：
public class FailFastTest {
static final List<Integer> list = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) {
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
exec.execute(() -> {
add((int)(Math.random() * 10));
print();
});
}
}
private static void add(int number) {
list.add(number);
}
private static void print() {
Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
}
}
以上代码会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常
深入ArrayList源码看fast-fail的原理
首先看下ArrayList中的内部类Itr的域
private class Itr implements Iterator<E> {
//迭代器下一个元素的索引
int cursor;
//迭代器上一个元素的索引
int lastRet = -1;
//在创建一个迭代器时，将当前ArrayList的修改次数赋值给expectedModCount保存
int expectedModCount = modCount;
}
在上面的示例中，我们可以看到一般的迭代过程是
Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
iterator()、hasNext()、next()三个方法：
- iterator()：没有做任何处理，不过构造时三个域会进行初始化-
Itr() {} - hasNext()：判断下一个元素索引是否等于ArrayList的大小，等于说明没有元素了
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
重点看next()方法
public E next() {
checkForComodification(); //1
int i = cursor; //2
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
在获取下一个元素之前，先调用checkForComodification()进行了检查，检查当前集合的修改次数是不是跟之前保存的相同，如果相同则表示没有被其他线程修改，
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
modCount：modCount 是 AbstractList 的属性值：`protected transient int modCount = 0; 他是一个修改次数计数器，实例化一个集合之后，每次修改（源码的注释成为结构性修改），比如set，add，clear等，计数器都会加1。
这里其实就是fail-fast机制的实现原理了，将修改计数器的变化与容器关联起来：首先在构造迭代器的时候，将当前的修改计数器的值保存，之后进行遍历的时候，每访问一个数据，都要检查当前集合的修改次数是否合法，如果有其他线程修改了集合，那么modCount就会被修改，当前修改计数器的值与之前保存的值（即期望值）不同，那么将抛出ConcurrentModificationException。
fail-fast的解决办法
使用java.util.concurrent.*下的工具类
通过前面的实例、源码分析，我想各位已经基本了解了fail-fast的机制，下面我就产生的原因提出解决方案。这里有两种解决方案：
方案一：Collections.synchronizedList
在遍历过程中所有涉及到改变modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，这样就可以解决。但是不推荐，因为增删造成的同步锁可能会阻塞遍历操作。
方案二：使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。推荐使用该方案。
读多写少的并发场景
ArrayList 的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。 该类产生的开销比较大，但是在两种情况下，它非常适合使用。
1：在不能或不想进行同步遍历，但又需要从并发线程中排除冲突时。
2：当遍历操作的数量大大超过可变操作的数量时。遇到这两种情况使用CopyOnWriteArrayList来替代ArrayList再适合不过了。
CopyOnWriteArrayList
写入时复制（CopyOnWrite）思想
写入时复制（CopyOnWrite，简称COW）思想是计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（Callers）同时要求相同的资源（如内存或者是磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者视图修改资源内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的（transparently）。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源，就不会有副本（private copy）被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。
CopyOnWriteArrayList的实现原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//复制一个新的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//插入新值
newElements[len] = e;
//将新的数组指向原来的引用
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：
import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
private volatile Map<K, V> internalMap;
public CopyOnWriteMap() {
internalMap = new HashMap<K, V>();
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (this) {
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
V val = newMap.put(key, value);
internalMap = newMap;
return val;
}
}
public V get(Object key) {
return internalMap.get(key);
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
synchronized (this) {
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
newMap.putAll(newData);
internalMap = newMap;
}
}
}
实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。
几个要点
- 实现了List接口
- 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 底层是用volatile transient声明的数组 array
- 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array
volatile （挥发物、易变的）：变量修饰符，只能用来修饰变量。volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变 化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。
transient （暂短的、临时的）：修饰符，只能用来修饰字段。在对象序列化的过程中，标记为transient的变量不会被序列化。
增删改查
1）增
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//复制一个新的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//插入新值
newElements[len] = e;
//将新的数组指向原来的引用
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
numMoved);
}
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
} finally {
lock.unlock();
}
}
2）删
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
//如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//创建新的数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
//将index+1至最后一个元素向前移动一格
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
3）改
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
E oldValue = get(elements, index);
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
//创建新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
//替换元素
newElements[index] = element;
//将新数组指向原来的引用
setArray(newElements);
} else {
// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
setArray(elements);
}
return oldValue;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
4）查
//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}
CopyOnWrite的应用场景
CopyOnWrite并发容器用于**读多写少**的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：
import java.util.Map;
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
/**
* 黑名单服务
*
* @author fangtengfei
*
*/
public class BlackListServiceImpl {
private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
1000);
public static boolean isBlackList(String id) {
return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
}
public static void addBlackList(String id) {
blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
}
/**
* 批量添加黑名单
*
* @param ids
*/
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
blackListMap.putAll(ids);
}
}
代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：
1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。
CopyOnWrite的缺点
CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。
内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。
针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。
数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好
我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。
面试题：
iterator(),Iterator,Iterable关系
所有实现了Collection接口的容器类(List和set), 都是用Iterator迭代器对象，实现对容器内元素的遍历操作；
Collection接口继承了Iterable接口，该接口有一个iterator()抽象方法，那么所有实现了Collection接口的实现类实现了各自的iterator()方法，返回一个实现了Iterator接口的对象。
● boolean hasNext(); //判断是否有元素没有被遍历
● Object next(); //返回游标当前位置的元素并将游标移动到下一个位置
● void remove(); //删除游标左面的元素，在执行完next之后移除
什么是fail-fast 和 fail-safe ？
fail-fast 是 Java 中的一种 快速失败 机制，java.u til 包下所有的集合都是快速失败的，
快速失败会抛出 ConcurrentModificationException 异常，fa ail-fast 你可以把它理解为一
种快速检测机制它只能用来检测错误，不会对错误进行恢复，fail-fast 不一定只在多线程 环
境下存在，ArrayList 也会抛出这个异常，主要原因是由于 modCount 不等于 ex
pectedModCount。
fail-safe 是 Java 中的一种安全失败机制，它表示的是在遍历时不是直接在原集合上进
行访问，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。 由于迭代时是对原集合的拷
贝进行遍历，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 所以不会触
发 ConcurrentModificationException。java.util.conc urrent 包下的容器都是安全失败的，
可以在多线程条件下使用，并发修改。
Iterator和 ListIterator有什么区别？
ListIterator 继承 Iterator
ListIterator 比 Iterator多方法
1） add(E e) 将指定的元素插入列表，插入位置为迭代器当前位置之前
2） set(E e) 迭代器返回的最后一个元素替换参数e
3） hasPrevious() 迭代器当前位置，反向遍历集合是否含有元素
4） previous() 迭代器当前位置，反向遍历集合，下一个元素
5） previousIndex() 迭代器当前位置，反向遍历集合，返回下一个元素的下标
6） nextIndex() 迭代器当前位置，返回下一个元素的下标
使用范围不同，Iterator可以迭代所有集合；ListIterator 只能用于List及其子类
ListIterator 有 add 方法，可以向 List 中添加对象；Iterator 不能
ListIterator 有 hasPrevious() 和 previous() 方法，可以实现逆向遍历；Iterator不可以
ListIterator 有 nextIndex() 和previousIndex() 方法，可定位当前索引的位置；Iterator不可以
ListIterator 有 set()方法，可以实现对 List 的修改；Iterator 仅能遍历，不能修改
具体实现参考:https://www.shuzhiduo.com/A/kmzL8KebzG/
