从 modCount 看 java集合 fail-fast 机制

一、背景

在常见的Java的非线程安全集合类中（如HashMap、ArrayList），经常可以在一些修改结构的操作（如Add）中看到实例变量 modCount++ ，来统计集合的修改次数。
从注释也可以看出，该字段是为 fail-fast（快速失败）机制服务。

二、简介

fail-fast 机制是能立刻报告任何可能导致失败的错误检测机制。

在java集合框架中表现为：当构建迭代器时，起初expectedModCount = modCount，当修改了该集合时，则该集合modCount++，随后迭代器在迭代下个元素时，会发现当前的modCount值与期望值expectedModCount不符，便会抛出ConcurrentModificationException异常，以避免数据不同步带来的麻烦。

注：

1. 使用迭代器的remove()方法不会抛出异常，看源码可知在其中重新设置expectedModCount。
2. 该机制不保证存在非同步并发修改时一定会抛出异常，只是尽最大努力去抛出该异常，因此最好不要依赖于该异常去写程序，而只是用于debug阶段。

官方注释：
Note that fail-fast behavior cannot be guaranteed as it is, generally speaking, impossible to make any hard guarantees in the presence of unsynchronized concurrent modification. Fail-fast operations throw ConcurrentModificationException on a best-effort basis. Therefore, it would be wrong to write a program that depended on this exception for its correctness: ConcurrentModificationException should be used only to detect bugs.

三、两种出现场景

3.1 单线程环境

在遍历集合的过程中，调用了集合修改方法。
例：

class Test{
    public static void main(String[] args){
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList();
        list.add(1); list.add(2); list.add(3);

        Iterator itr = list.iterator();
        while(itr.hasNext()){
            System.out.println(itr.next());// 1 \n 2 \n 3
            itr.remove();  //后续不会抛出异常
        }
        System.out.println(list.toString());// 输出：[]
        list.add(1); list.add(2); list.add(3);

        itr = list.iterator();
        while(itr.hasNext()){
            Object i = itr.next();
            System.out.println(i);
            list.remove(i);  //后续next时会抛出异常
        }
    }
}

3.2 多线程环境

一个线程在遍历该集合时，另一个线程修改了该集合结构。

    ArrayList<Integer> list = new ArrayList();
    list.add(1); list.add(2); list.add(3);
	
    for(Integer i: list){
        new Thread(() -> {
            list.add(4);
        }).run();
        System.out.println(i);
    }

四、迭代器源码解析

以ArrayList对Iterator的实现为例：

    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;  // 期望的modCount值即为创建迭代器时的modCount值

        Itr() {}

        public boolean hasNext() { // hasNext 并不抛异常
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification(); //首先检查expectedModCount是否一致
            // …省略
        }
        
        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;  //迭代器remove后不抛异常的原因，更新 expectedModCount
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        /** 检查 expectedModCount 与 当前 modCount是否一致，否则抛异常*/
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

参考：
https://www.geeksforgeeks.org/fail-fast-fail-safe-iterators-java/
https://blog.csdn.net/u014692324/article/details/78577130