java集合系列（4）fail-fast机制(面试常问)

此文章转载于Java的架构师技术栈微信公众号

 

今天来看java集合中一个常见的错误机制fail-fast机制。出现在这个错误机制的本质就是因为单线程和多线程的不同。下面就好好看一下这个机制是怎么是出现的。

一、认识fail-fast

今天在运行项目的时候，突然就出现了ConcurrentModificationException异常。原因是多线程中使用的，因为在多线程中使用了ArrayList，造成了这么一个异常。这是今天所讲的集合的fai-fast机制。

我们先来看看维基百科中的解释：

在系统设计中，快速失效系统一种可以立即报告任何可能表明故障的情况的系统。快速失效系统通常设计用于停止正常操作，而不是试图继续可能存在缺陷的过程。这种设计通常会在操作中的多个点检查系统的状态，因此可以及早检测到任何故障。快速失败模块的职责是检测错误，然后让系统的下一个最高级别处理错误。

   概念：fail-fast 机制是java集合(Collection)中的一种错误机制。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。

二、分析fail-fast

  为了更好的去了解一下fail-fast，我们先去实现一下这个错误如何产生。

异常出现

下面通过一个示例来展示

public class Test {
    private static List<String> list = new ArrayList<>();
    public static void main(String[] args) {
        //两个线程对同一个ArrayList进行操作
        new ThreadOne().start();
        new ThreadTwo().start();
    }
    //遍历list中的所有元素并输出
    private static void printAll() {
        String value = null;
        Iterator iter = list.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            value = (String)iter.next();
            System.out.println(value);
        }
    }
    //线程一：向list中依次添加数据，然后printAll()整个list
    private static class ThreadOne extends Thread {
        public void run() {
            for (int i=0;i<6;i++) {
                list.add(("线程一：java的架构师技术栈"+i));
                printAll();
            }
        }
    }
    //线程二：对ArrayList实现同样的操作
    private static class ThreadTwo extends Thread {
        public void run() {
            for (int i=0;i<6;i++) {
                list.add(("线程二：java的架构师技术栈"+i));
                printAll();
            }
        }
    }
}

   看一下处理的结果:

 

 

 

现在我们fail-fast实现的方式我们都已经知道了，fail-fast快速失败是在迭代的时候产生的，但是是如何产生的呢？下面我们再来深入的分析一下：

根本原因：

从前面我们知道fail-fast是在操作迭代器时产生的。现在我们来看看ArrayList中迭代器的源代码：

private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;//注意这里

        Itr() {}

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            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];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }

        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

从上面的源代码我们可以看出，迭代器在调用next()、remove()方法时都是调用checkForComodification()方法，该方法主要就是检测modCount == expectedModCount ? 若不等则抛出ConcurrentModificationException 异常，从而产生fail-fast机制。到了这一步我们也知道了，想要弄清楚fail-fast机制，首先我们需要搞清楚modCount 和expectedModCount。

       expectedModCount 是在IteratorTest中定义的：

int expectedModCount = modCount;

所以他的值是不可能会修改的，所以会变的就是modCount。modCount是在 AbstractList 中定义的，为全局变量：

protected transient int modCount = 0;

 

   那么他什么时候因为什么原因而发生改变呢？请看ArrayList的源码：

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;//这里改变了
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

 
  //同理，其他的几个也实现了对modCount的修改
  //add、
  //fastRemove
  //clear

   从上面的源代码我们可以看出，只要是涉及了改变ArrayList元素的个数的方法都会导致modCount的改变。所以我们这里可以初步判断由于expectedModCount 与modCount的改变不同步，导致两者之间不等，从而产生fail-fast机制。

我想各位已经基本了解了fail-fast的机制，那么平常我们如何去规避这种情况呢？这里有两种解决方案：

       方案一：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（不推荐）

       方案二：使用juc下面的CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。

       CopyOnWriteArrayList为什么能解决这个问题呢？CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。CopyOnWriteArrayList中add/remove等写方法是需要加锁的，目的是为了避免Copy出N个副本出来，导致并发写。但是。CopyOnWriteArrayList中的读方法是没有加锁的。

我们只需要记住一句话:CopyOnWriteArrayList是线程安全的，所以我们在多线程的环境下面需要去使用这个就可以了。关于CopyOnWriteArrayList更加深入的用法，会在以后的章节中去解释说明。

三、总结

现在我们对fail-fast机制都已经有了了解了。其出现的原因是：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。类似于我们在学习操作系统的时候出现的问题。