集合类你不知道的小知识

在系统设计中，快速失效(fail-fast)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。

例如：

public int divide(int dividend,int divisor){
    if(divisor == 0){
        throw new RuntimeException("divisor can't be zero");
    }
    return dividend/divisor;
}

在以上代码中是一个对两个整数做除法的方法，在divide方法中，我们对除数做了个简单的检查，如果其值为0，那么就直接抛出一个异常，并明确提示异常原因。这其实就是fail-fast理念的实际应用。

那为什么要按设计这个东西呢？

就是可以预先识别出一些错误情况，一方面可以避免执行复杂的其他代码，另外一方面，这种异常情况被识别之后也可以针对性的做一些单独处理。

在Java中，集合类中有用到fail-fast机制进行设计，一旦使用不当，触发fail-fast机制设计的代码，就会发生非预期情况。

在集合类中，为了避免并发修改，会维护一个expectedModCount属性，他表示这个迭代器预期该集合被修改的次数。还有一个modCount属性，他表示该集合实际被修改的次数。在集合被修改时，会去比较modCount和expectedModCount的值，如果不一致，则会触发fail-fast机制，抛出ConcurrentModificationException。

fail-safe 机制是为线程安全的集合准备的，可以避免像 fail-fast 一样在并发使用集合的时候，不断地抛出异常。

集合类中的fail-fast

我们通常说的Java中的fail-fast机制，默认指的是Java集合的一种错误检测机制。当多个线程对部分集合进行结构上的改变的操作时，有可能会产生fail-fast机制，这个时候就会抛出ConcurrentModificationException

ConcurrentModificationException，当方法检测到对象的并发修改，但不允许这种修改时就抛出该异常。

在Java中， 如果在foreach 循环里对某些集合元素进行元素的 remove/add 操作的时候，就会触发fail-fast机制，进而抛出ConcurrentModificationException。

例如以下的for-each循环

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{
    add("张三");
    add("李四");
    add("王五");
    add("赵七");
}};

for (String userName : userNames) {
    if (userName.equals("张三")) {
        userNames.remove(userName);
    }
}

System.out.println(userNames);

上述代码就是循环遍历list数组，并找到有一个是不是“张三”的名字并删除他，在idea运行时会报以下错误：

对该for-each循环进行反编译得到以下结构：

public static void main(String[] args) {
    // 使用ImmutableList初始化一个List
    List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{
        add("张三");
        add("李四");
        add("王五");
        add("赵七");
    }};

    Iterator iterator = userNames.iterator();
    do
        {
            if(!iterator.hasNext())
                break;
            String userName = (String)iterator.next();
            if(userName.equals("张三"))
                userNames.remove(userName);
        } while(true);
    System.out.println(userNames);
}

可以发现，foreach其实是依赖了while循环和Iterator实现的。

异常原理

通过以上代码的异常堆栈，我们可以跟踪到真正抛出异常的代码是：

再继续跟踪异常代码，可以发现该异常的内部实现

如上，在该方法中对modCount和expectedModCount进行了比较，如果二者不相等，则抛出ConcurrentModificationException。

modCount和expectedModCount是什么？是什么原因导致他们的值不相等的呢？  

modCount是ArrayList中的一个成员变量。它表示该集合实际被修改的次数。

例如上述示例代码的前半部分：

   List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{
        add("张三");
        add("李四");
        add("王五");
        add("赵七");
    }};

当使用以上代码初始化集合之后该变量就有了。初始值为0。 expectedModCount 是 ArrayList中的一个内部类——Itr中的成员变量。

Iterator iterator = userNames.iterator();

以上代码，即可得到一个 Itr类，该类实现了Iterator接口。 expectedModCount表示这个迭代器预期该集合被修改的次数。其值随着Itr被创建而初始化。只有通过迭代器对集合进行操作，该值才会改变。

remove方法的核心逻辑如下：

可以看到，它只修改了modCount，并没有对expectedModCount做任何操作。

其实，上面的这些之所以会抛出ConcurrentModificationException异常，是因为我们的代码中使用了增强for循环，而在增强for循环中，集合遍历是通过iterator迭代器进行的，但是元素的remove却是直接使用的集合类自己的方法。这就导致iterator在遍历的时候，会发现有一个元素在自己不知不觉的情况下就被删除/添加了，就会抛出一个异常，用来提示用户，可能发生了并发修改！ 所以，在使用Java的集合类的时候，如果发生ConcurrentModificationException，优先考虑fail-fast有关的情况，实际上这里并没有真的发生并发，只是Iterator使用了fail-fast的保护机制，只要他发现有某一次修改是未经过自己进行的，那么就会抛出异常。  

集合类中的fail-safe

为了避免触发fail-fast机制，导致异常，我们可以使用Java中提供的一些采用了fail-safe机制的集合类。 这样的集合容器在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。 java.util.concurrent包下的容器都是fail-safe的，可以在多线程下并发使用，并发修改。同时也可以在foreach中进行add/remove 。

例如，可以将上面的ArrayList容器换成CopyOnWriteArrayList，那么程序就不会报错了。

fail-safe集合的所有对集合的修改都是先拷贝一份副本，然后在副本集合上进行的，并不是直接对原集合进行修改。并且这些修改方法，如add/remove都是通过加锁来控制并发的。 所以，CopyOnWriteArrayList中的迭代器在迭代的过程中不需要做fail-fast的并发检测。（因为fail-fast的主要目的就是识别并发，然后通过异常的方式通知用户） 但是，虽然基于拷贝内容的优点是避免了ConcurrentModificationException，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容。如下：

什么是COW

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。

从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList，CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素add到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

注意：CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的。也就是说add方法是线程安全的。

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景。