java中的fail-fast(快速失败)机制
java中的fail-fast(快速失败)机制
简介
fail-fast机制，即快速失败机制，是java集合中的一种错误检测机制。当在迭代集合的过程中对该集合的结构改变是，就有可能会发生fail-fast，即跑出ConcurrentModificationException异常。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定抛出异常，它只是近最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测bug
fail-fast的出现场景
在我们常见的java集合中就可能出现fail-fast机制，比如常见的ArrayList,HashMap.在多线程和单线程环境下都有可能出现快速失败。
1.单线程环境下的fail-fast例子：
public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList<>(); for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) { list.add(i + ""); } Iterator<String> iterator = list.iterator(); int i = 0 ; while(iterator.hasNext()) { if (i == 3) { list.remove(3); } System.out.println(iterator.next()); i ++; } }
控制台打印：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901) at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851) at com.example.springboot_demo.fail_fast_safe.ArrayListFailFast.main(ArrayListFailFast.java:24)
该段代码定义了一个Arraylist集合，并使用迭代器遍历，在遍历过程中，刻意在某一步迭代中remove一个元素，这个时候，就会发生fail-fast
2.多线程环境下
public class ArrayListFailFastThreadPool { public static List<String> list = new ArrayList<>(); private static class MyThread1 extends Thread { @Override public void run() { Iterator<String> iterator = list.iterator(); while(iterator.hasNext()) { String s = iterator.next(); System.out.println(this.getName() + ":" + s); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } super.run(); } } private static class MyThread2 extends Thread { int i = 0; @Override public void run() { while (i < 10) { System.out.println("thread2:" + i); if (i == 2) { list.remove(i); } try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } i ++; } } } public static void main(String[] args) { for(int i = 0 ; i < 10;i++){ list.add(i+""); } MyThread1 thread1 = new MyThread1(); MyThread2 thread2 = new MyThread2(); thread1.setName("thread1"); thread2.setName("thread2"); thread1.start(); thread2.start(); } }
控制台打印：
Exception in thread "thread1" java.util.ConcurrentModificationException thread2:3 at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901) at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851) at com.example.springboot_demo.fail_fast_safe.ArrayListFailFastThreadPool$MyThread1.run(ArrayListFailFastThreadPool.java:20)
启动两个线程，分别对其中一个对list进行迭代，另一个在线程1的迭代过程中去remove一个元素，结果也是抛出了java.util.ConcurrentModificationException
Fail-fast原理
fail-fast是如何抛出ConcurrentModificationException异常的，又是在什么情况下才会抛出？
我们知道，对于集合入list，map类，我们都是可以通过迭代器来遍历，而Iterator其实只是一个接口，具体的实现还是具体的集合类的内部类实现Iterator并实现相关方法。这里我们就以ArrayList类为例。在ArrayList中，当调用list.iterator()时，其源码是：
public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); } 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; 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(); } //这段代码是关键 final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
可以看出，该方法才是判断是否抛出ConcurrentModificationException异常的关键。在该段代码中，当modCount != expectedModCount时，就会抛出该异常。很明显expectedModCount在整个迭代过程除了一开始赋予初始值modCount外，并没有再发生改变，所以可能发生改变的就只有modCount.
在前面关于ArrayList扩容机制的分析中，可以知道在ArrayList进行add,remove,clear等涉及到修改集合中的元素个数的操作时，modCount就会发生改变（modCount++）所以当另一个线程(并发修改)或者同一个线程遍历过程中，调用相关方法使集合的个数发生改变，就会使modCount发生变化，这样在checkForComodification方法中就会抛出ConcurrentModificationException异常。
类似的，hashMap中发生的原理也是一样的。
避免fail-fast
方法1
在单线程的遍历过程中，如果要进行remove操作，可以调用迭代器的remove方法而不是集合类的remove方法
public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList<>(); for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) { list.add(i + ""); } Iterator<String> iterator = list.iterator(); int i = 0 ; while(iterator.hasNext()) { if (i == 3) { iterator.remove(); //迭代器的remove()方法 } System.out.println(iterator.next()); i ++; } }
方法2
使用java并发包(java.util.concurrent)中的类来代替ArrayList 和hashMap。
对于HashMap，可以使用ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap采用了锁机制，是线程安全的。在迭代方面，ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 ，iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变。即迭代不会发生fail-fast，但不保证获取的是最新的数据。
