Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)
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概要
前面，我们已经学习了ArrayList。接下来，我们以ArrayList为例，对Iterator的fail-fast机制进行了解。内容包括：：
1 fail-fast简介
2 fail-fast示例
3 fail-fast解决办法
4 fail-fast原理
5 解决fail-fast的原理
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1 fail-fast简介
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。
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。
在详细介绍fail-fast机制的原理之前，先通过一个示例来认识fail-fast。
2 fail-fast示例
示例代码：(FastFailTest.java)
1 import java.util.*;
2 import java.util.concurrent.*;
3
4 /*
5 * @desc java集合中Fast-Fail的测试程序。
6 *
7 * fast-fail事件产生的条件：当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。
8 * fast-fail解决办法：通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。
9 *
10 * 本例中，分别测试ArrayList和CopyOnWriteArrayList这两种情况。ArrayList会产生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不会产生fast-fail事件。
11 * (01) 使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下：
12 * private static List<String> list = new ArrayList<String>();
13 * (02) 使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下：
14 * private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
15 *
16 * @author skywang
17 */
18 public class FastFailTest {
19
20 private static List<String> list = new ArrayList<String>();
21 //private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
22 public static void main(String[] args) {
23
24 // 同时启动两个线程对list进行操作！
25 new ThreadOne().start();
26 new ThreadTwo().start();
27 }
28
29 private static void printAll() {
30 System.out.println("");
31
32 String value = null;
33 Iterator iter = list.iterator();
34 while(iter.hasNext()) {
35 value = (String)iter.next();
36 System.out.print(value+", ");
37 }
38 }
39
40 /**
41 * 向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
42 */
43 private static class ThreadOne extends Thread {
44 public void run() {
45 int i = 0;
46 while (i<6) {
47 list.add(String.valueOf(i));
48 printAll();
49 i++;
50 }
51 }
52 }
53
54 /**
55 * 向list中依次添加10,11,12,13,14,15，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
56 */
57 private static class ThreadTwo extends Thread {
58 public void run() {
59 int i = 10;
60 while (i<16) {
61 list.add(String.valueOf(i));
62 printAll();
63 i++;
64 }
65 }
66 }
67
68 }
运行结果：
运行该代码，抛出异常java.util.ConcurrentModificationException！即，产生fail-fast事件！
结果说明：
(01) FastFailTest中通过 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同时启动两个线程去操作list。
ThreadOne线程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
ThreadTwo线程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
(02) 当某一个线程遍历list的过程中，list的内容被另外一个线程所改变了；就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
3 fail-fast解决办法
fail-fast机制，是一种错误检测机制。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。若在多线程环境下使用fail-fast机制的集合，建议使用“java.util.concurrent包下的类”去取代“java.util包下的类”。
所以，本例中只需要将ArrayList替换成java.util.concurrent包下对应的类即可。
即，将代码
private static List<String> list = new ArrayList<String>();
替换为
private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
则可以解决该办法。
4 fail-fast原理
产生fail-fast事件，是通过抛出ConcurrentModificationException异常来触发的。
那么，ArrayList是如何抛出ConcurrentModificationException异常的呢?
我们知道，ConcurrentModificationException是在操作Iterator时抛出的异常。我们先看看Iterator的源码。ArrayList的Iterator是在父类AbstractList.java中实现的。代码如下：
1 package java.util;
2
3 public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
4
5 ...
6
7 // AbstractList中唯一的属性
8 // 用来记录List修改的次数：每修改一次(添加/删除等操作)，将modCount+1
9 protected transient int modCount = 0;
10
11 // 返回List对应迭代器。实际上，是返回Itr对象。
12 public Iterator<E> iterator() {
13 return new Itr();
14 }
15
16 // Itr是Iterator(迭代器)的实现类
17 private class Itr implements Iterator<E> {
18 int cursor = 0;
19
20 int lastRet = -1;
21
22 // 修改数的记录值。
23 // 每次新建Itr()对象时，都会保存新建该对象时对应的modCount；
24 // 以后每次遍历List中的元素的时候，都会比较expectedModCount和modCount是否相等；
25 // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
26 int expectedModCount = modCount;
27
28 public boolean hasNext() {
29 return cursor != size();
30 }
31
32 public E next() {
33 // 获取下一个元素之前，都会判断“新建Itr对象时保存的modCount”和“当前的modCount”是否相等；
34 // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
35 checkForComodification();
36 try {
37 E next = get(cursor);
38 lastRet = cursor++;
39 return next;
40 } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
41 checkForComodification();
42 throw new NoSuchElementException();
43 }
44 }
45
46 public void remove() {
47 if (lastRet == -1)
48 throw new IllegalStateException();
49 checkForComodification();
50
51 try {
52 AbstractList.this.remove(lastRet);
53 if (lastRet < cursor)
54 cursor--;
55 lastRet = -1;
56 expectedModCount = modCount;
57 } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
58 throw new ConcurrentModificationException();
59 }
60 }
61
62 final void checkForComodification() {
63 if (modCount != expectedModCount)
64 throw new ConcurrentModificationException();
65 }
66 }
67
68 ...
69 }
从中，我们可以发现在调用 next() 和 remove()时，都会执行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast机制，我们就要需要理解什么时候“modCount 不等于 expectedModCount”！
从Itr类中，我们知道 expectedModCount 在创建Itr对象时，被赋值为 modCount。通过Itr，我们知道：expectedModCount不可能被修改为不等于 modCount。所以，需要考证的就是modCount何时会被修改。
接下来，我们查看ArrayList的源码，来看看modCount是如何被修改的。
1 package java.util;
2
3 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
4 implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
5 {
6
7 ...
8
9 // list中容量变化时，对应的同步函数
10 public void ensureCapacity(int minCapacity) {
11 modCount++;
12 int oldCapacity = elementData.length;
13 if (minCapacity > oldCapacity) {
14 Object oldData[] = elementData;
15 int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
16 if (newCapacity < minCapacity)
17 newCapacity = minCapacity;
18 // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
19 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
20 }
21 }
22
23
24 // 添加元素到队列最后
25 public boolean add(E e) {
26 // 修改modCount
27 ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
28 elementData[size++] = e;
29 return true;
30 }
31
32
33 // 添加元素到指定的位置
34 public void add(int index, E element) {
35 if (index > size || index < 0)
36 throw new IndexOutOfBoundsException(
37 "Index: "+index+", Size: "+size);
38
39 // 修改modCount
40 ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
41 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
42 size - index);
43 elementData[index] = element;
44 size++;
45 }
46
47 // 添加集合
48 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
49 Object[] a = c.toArray();
50 int numNew = a.length;
51 // 修改modCount
52 ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
53 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
54 size += numNew;
55 return numNew != 0;
56 }
57
58
59 // 删除指定位置的元素
60 public E remove(int index) {
61 RangeCheck(index);
62
63 // 修改modCount
64 modCount++;
65 E oldValue = (E) elementData[index];
66
67 int numMoved = size - index - 1;
68 if (numMoved > 0)
69 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
70 elementData[--size] = null; // Let gc do its work
71
72 return oldValue;
73 }
74
75
76 // 快速删除指定位置的元素
77 private void fastRemove(int index) {
78
79 // 修改modCount
80 modCount++;
81 int numMoved = size - index - 1;
82 if (numMoved > 0)
83 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
84 numMoved);
85 elementData[--size] = null; // Let gc do its work
86 }
87
88 // 清空集合
89 public void clear() {
90 // 修改modCount
91 modCount++;
92
93 // Let gc do its work
94 for (int i = 0; i < size; i++)
95 elementData[i] = null;
96
97 size = 0;
98 }
99
100 ...
101 }
从中，我们发现：无论是add()、remove()，还是clear()，只要涉及到修改集合中的元素个数时，都会改变modCount的值。
接下来，我们再系统的梳理一下fail-fast是怎么产生的。步骤如下：
(01) 新建了一个ArrayList，名称为arrayList。
(02) 向arrayList中添加内容。
(03) 新建一个“线程a”，并在“线程a”中通过Iterator反复的读取arrayList的值。
(04) 新建一个“线程b”，在“线程b”中删除arrayList中的一个“节点A”。
(05) 这时，就会产生有趣的事件了。
在某一时刻，“线程a”创建了arrayList的Iterator。此时“节点A”仍然存在于arrayList中，创建arrayList时，expectedModCount = modCount(假设它们此时的值为N)。
在“线程a”在遍历arrayList过程中的某一时刻，“线程b”执行了，并且“线程b”删除了arrayList中的“节点A”。“线程b”执行remove()进行删除操作时，在remove()中执行了“modCount++”，此时modCount变成了N+1！
“线程a”接着遍历，当它执行到next()函数时，调用checkForComodification()比较“expectedModCount”和“modCount”的大小；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,这样，便抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
至此，我们就完全了解了fail-fast是如何产生的！
即，当多个线程对同一个集合进行操作的时候，某线程访问集合的过程中，该集合的内容被其他线程所改变(即其它线程通过add、remove、clear等方法，改变了modCount的值)；这时，就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
5 解决fail-fast的原理
上面，说明了“解决fail-fast机制的办法”，也知道了“fail-fast产生的根本原因”。接下来，我们再进一步谈谈java.util.concurrent包中是如何解决fail-fast事件的。
还是以和ArrayList对应的CopyOnWriteArrayList进行说明。我们先看看CopyOnWriteArrayList的源码：
View Code从中，我们可以看出:
(01) 和ArrayList继承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList没有继承于AbstractList，它仅仅只是实现了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的；而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。
(03) ArrayList的Iterator实现类中调用next()时，会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中，没有所谓的checkForComodification()，更不会抛出ConcurrentModificationException异常！
