轉載自? ?Java 集合系列04之 fail-fast總結

概要

前面，我們已經學習了ArrayList。接下來，我們以ArrayList為例，對Iterator的fail-fast機制進行了解。內容包括：：
1 fail-fast簡介
2 fail-fast示例
3 fail-fast解決辦法
4?fail-fast原理
5 解決fail-fast的原理

1 fail-fast簡介

fail-fast 機制是java集合(Collection)中的一種錯誤機制。當多個線程對同一個集合的內容進行操作時，就可能會產生fail-fast事件。
例如：當某一個線程A通過iterator去遍歷某集合的過程中，若該集合的內容被其他線程所改變了；那么線程A訪問集合時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。

在詳細介紹fail-fast機制的原理之前，先通過一個示例來認識fail-fast。

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2 fail-fast示例

示例代碼：(FastFailTest.java)

import java.util.*; import java.util.concurrent.*;/** @desc java集合中Fast-Fail的測試程序。** fast-fail事件產生的條件：當多個線程對Collection進行操作時，若其中某一個線程通過iterator去遍歷集合時，該集合的內容被其他線程所改變；則會拋出ConcurrentModificationException異常。* fast-fail解決辦法：通過util.concurrent集合包下的相應類去處理，則不會產生fast-fail事件。** 本例中，分別測試ArrayList和CopyOnWriteArrayList這兩種情況。ArrayList會產生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不會產生fast-fail事件。* (01) 使用ArrayList時，會產生fast-fail事件，拋出ConcurrentModificationException異常；定義如下：* private static List<String> list = new ArrayList<String>();* (02) 使用時CopyOnWriteArrayList，不會產生fast-fail事件；定義如下：* private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();** @author skywang*/ public class FastFailTest {private static List<String> list = new ArrayList<String>();//private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();public static void main(String[] args) {// 同時啟動兩個線程對list進行操作！new ThreadOne().start();new ThreadTwo().start();}private static void printAll() {System.out.println("");String value = null;Iterator iter = list.iterator();while(iter.hasNext()) {value = (String)iter.next();System.out.print(value+", ");}}/*** 向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list*/private static class ThreadOne extends Thread {public void run() {int i = 0;while (i<6) {list.add(String.valueOf(i));printAll();i++;}}}/*** 向list中依次添加10,11,12,13,14,15，每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list*/private static class ThreadTwo extends Thread {public void run() {int i = 10;while (i<16) {list.add(String.valueOf(i));printAll();i++;}}}}

運行結果：
運行該代碼，拋出異常java.util.ConcurrentModificationException！即，產生fail-fast事件！

結果說明：
(01) FastFailTest中通過 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同時啟動兩個線程去操作list。
? ??ThreadOne線程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list。
? ??ThreadTwo線程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list。
(02) 當某一個線程遍歷list的過程中，list的內容被另外一個線程所改變了；就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。

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3 fail-fast解決辦法

fail-fast機制，是一種錯誤檢測機制。它只能被用來檢測錯誤，因為JDK并不保證fail-fast機制一定會發生。若在多線程環境下使用fail-fast機制的集合，建議使用“java.util.concurrent包下的類”去取代“java.util包下的類”。
所以，本例中只需要將ArrayList替換成java.util.concurrent包下對應的類即可。

即，將代碼

private static List<String> list = new ArrayList<String>();

替換為

private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();

則可以解決該辦法。

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4 fail-fast原理

產生fail-fast事件，是通過拋出ConcurrentModificationException異常來觸發的。
那么，ArrayList是如何拋出ConcurrentModificationException異常的呢?

我們知道，ConcurrentModificationException是在操作Iterator時拋出的異常。我們先看看Iterator的源碼。ArrayList的Iterator是在父類AbstractList.java中實現的。代碼如下：?

package java.util;public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {...// AbstractList中唯一的屬性// 用來記錄List修改的次數：每修改一次(添加/刪除等操作)，將modCount+1protected transient int modCount = 0;// 返回List對應迭代器。實際上，是返回Itr對象。public Iterator<E> iterator() {return new Itr();}// Itr是Iterator(迭代器)的實現類private class Itr implements Iterator<E> {int cursor = 0;int lastRet = -1;// 修改數的記錄值。// 每次新建Itr()對象時，都會保存新建該對象時對應的modCount；// 以后每次遍歷List中的元素的時候，都會比較expectedModCount和modCount是否相等；// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。int expectedModCount = modCount;public boolean hasNext() {return cursor != size();}public E next() {// 獲取下一個元素之前，都會判斷“新建Itr對象時保存的modCount”和“當前的modCount”是否相等；// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。checkForComodification();try {E next = get(cursor);lastRet = cursor++;return next;} catch (IndexOutOfBoundsException e) {checkForComodification();throw new NoSuchElementException();}}public void remove() {if (lastRet == -1)throw new IllegalStateException();checkForComodification();try {AbstractList.this.remove(lastRet);if (lastRet < cursor)cursor--;lastRet = -1;expectedModCount = modCount;} catch (IndexOutOfBoundsException e) {throw new ConcurrentModificationException();}}final void checkForComodification() {if (modCount != expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException();}}... }

從中，我們可以發現在調用 next() 和 remove()時，都會執行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。

要搞明白 fail-fast機制，我們就要需要理解什么時候“modCount 不等于 expectedModCount”！
從Itr類中，我們知道 expectedModCount 在創建Itr對象時，被賦值為 modCount。通過Itr，我們知道：expectedModCount不可能被修改為不等于 modCount。所以，需要考證的就是modCount何時會被修改。

接下來，我們查看ArrayList的源碼，來看看modCount是如何被修改的。

package java.util;public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {...// list中容量變化時，對應的同步函數public void ensureCapacity(int minCapacity) {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (minCapacity > oldCapacity) {Object oldData[] = elementData;int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}}// 添加元素到隊列最后public boolean add(E e) {// 修改modCountensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!elementData[size++] = e;return true;}// 添加元素到指定的位置public void add(int index, E element) {if (index > size || index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);// 修改modCountensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);elementData[index] = element;size++;}// 添加集合public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {Object[] a = c.toArray();int numNew = a.length;// 修改modCountensureCapacity(size + numNew); // Increments modCountSystem.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}// 刪除指定位置的元素 public E remove(int index) {RangeCheck(index);// 修改modCountmodCount++;E oldValue = (E) elementData[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);elementData[--size] = null; // Let gc do its workreturn oldValue;}// 快速刪除指定位置的元素 private void fastRemove(int index) {// 修改modCountmodCount++;int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);elementData[--size] = null; // Let gc do its work}// 清空集合public void clear() {// 修改modCountmodCount++;// Let gc do its workfor (int i = 0; i < size; i++)elementData[i] = null;size = 0;}... }

從中，我們發現：無論是add()、remove()，還是clear()，只要涉及到修改集合中的元素個數時，都會改變modCount的值。

接下來，我們再系統的梳理一下fail-fast是怎么產生的。步驟如下：
(01)?新建了一個ArrayList，名稱為arrayList。
(02)?向arrayList中添加內容。
(03)?新建一個“線程a”，并在“線程a”中通過Iterator反復的讀取arrayList的值。
(04)?新建一個“線程b”，在“線程b”中刪除arrayList中的一個“節點A”。
(05) 這時，就會產生有趣的事件了。
? ? ? ?在某一時刻，“線程a”創建了arrayList的Iterator。此時“節點A”仍然存在于arrayList中，創建arrayList時，expectedModCount = modCount(假設它們此時的值為N)。
? ? ? ?在“線程a”在遍歷arrayList過程中的某一時刻，“線程b”執行了，并且“線程b”刪除了arrayList中的“節點A”。“線程b”執行remove()進行刪除操作時，在remove()中執行了“modCount++”，此時modCount變成了N+1！
“線程a”接著遍歷，當它執行到next()函數時，調用checkForComodification()比較“expectedModCount”和“modCount”的大小；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,這樣，便拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。

至此，我們就完全了解了fail-fast是如何產生的！
即，當多個線程對同一個集合進行操作的時候，某線程訪問集合的過程中，該集合的內容被其他線程所改變(即其它線程通過add、remove、clear等方法，改變了modCount的值)；這時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。

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5 解決fail-fast的原理

上面，說明了“解決fail-fast機制的辦法”，也知道了“fail-fast產生的根本原因”。接下來，我們再進一步談談java.util.concurrent包中是如何解決fail-fast事件的。

還是以和ArrayList對應的CopyOnWriteArrayList進行說明。我們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼：

package java.util.concurrent; import java.util.*; import java.util.concurrent.locks.*; import sun.misc.Unsafe;public class CopyOnWriteArrayList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {...// 返回集合對應的迭代器public Iterator<E> iterator() {return new COWIterator<E>(getArray(), 0);}...private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {private final Object[] snapshot;private int cursor;private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {cursor = initialCursor;// 新建COWIterator時，將集合中的元素保存到一個新的拷貝數組中。// 這樣，當原始集合的數據改變，拷貝數據中的值也不會變化。snapshot = elements;}public boolean hasNext() {return cursor < snapshot.length;}public boolean hasPrevious() {return cursor > 0;}public E next() {if (! hasNext())throw new NoSuchElementException();return (E) snapshot[cursor++];}public E previous() {if (! hasPrevious())throw new NoSuchElementException();return (E) snapshot[--cursor];}public int nextIndex() {return cursor;}public int previousIndex() {return cursor-1;}public void remove() {throw new UnsupportedOperationException();}public void set(E e) {throw new UnsupportedOperationException();}public void add(E e) {throw new UnsupportedOperationException();}}...}

從中，我們可以看出:

(01) 和ArrayList繼承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList沒有繼承于AbstractList，它僅僅只是實現了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函數返回的Iterator是在AbstractList中實現的；而CopyOnWriteArrayList是自己實現Iterator。
(03) ArrayList的Iterator實現類中調用next()時，會“調用checkForComodification()比較‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator實現類中，沒有所謂的checkForComodification()，更不會拋出ConcurrentModificationException異常！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java 集合系列04之 fail-fast总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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