Java快速失败(fail-fast)和安全失败(fail-safe)区别

本文详细解析了Java中集合类的两种遍历机制——快速失败和安全失败的区别及其实现原理。介绍了快速失败机制下如何通过modCount变量检测并发修改,并抛出ConcurrentModificationException异常;而安全失败机制则是通过复制集合内容的方式进行遍历,避免了异常的抛出,但也导致迭代器无法反映集合的最新状态。

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非线程安全的集合类都是快速失败的
线程安全的集合类以及java.util.concurrent包下的集合类都是安全失败的

 

/*
一、快速失败
当在迭代一个集合的时候,如果集合中的元素大于等于3个,即使在同一线程,如果使用list.remove(ele)或list.add(ele)而不是使用迭代器的remove(),同样会抛出异常Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException

 在并发操作中,使用迭代器对集合对象进行遍历的时候,如果A线程对集合进行遍历,正好B线程对集合进行修改(增加、删除)则A线程会抛出ConcurrentModificationException异常。

在ArrayList 的API官方文档中就有清楚的描述:

注意,此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个 ArrayList 实例,而其中至少一个线程从结构上修改了列表,那么它必须 保持外部同步。(结构上的修改是指任何添加或删除一个或多个元素的操作,或者显式调整底层数组的大小;仅仅设置元素的值不是结构上的修改。)这一般通过对自然封装该列表的对象进行同步操作来完成。如果不存在这样的对象,则应该使用 Collections.synchronizedList 方法将该列表“包装”起来。这最好在创建时完成,以防止意外对列表进行不同步的访问:

 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...)); 此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的:在创建迭代器之后,除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改,否则在任何时间以任何方式对列表进行修改,迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。因此,面对并发的修改,迭代器很快就会完全失败,而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。

注意,迭代器的快速失败行为无法得到保证,因为一般来说,不可能对是否出现不同步并发修改做出任何硬性保证。快速失败迭代器会尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此,为提高这类迭代器的正确性而编写一个依赖于此异常的程序是错误的做法:迭代器的快速失败行为应该仅用于检测 bug。

不过我我看了迭代器的源码之后,并没有发现迭代器有提供add方法

 

原理:

    迭代器在遍历时直接访问集合中的内容,并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化,就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前,都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值,是的话就返回遍历;否则抛出异常,终止遍历。


*/

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();//--划重点
            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();
            }
        }

      

        final void checkForComodification() {//--划重点
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

/*

二、安全失败

 采用安全失败机制的集合容器,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。

 原理:

        由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会触发Concurrent Modification Exception,例如CopyOnWriteArrayList。

缺点:

        基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception,但同样地,迭代器并不能访问到修改后的内容,即:迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。

*/

 public Iterator<E> iterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }

    //不允许使用该迭代器的add、set、remove方法
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
        /** Snapshot of the array 数组快照*/
        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
        private int cursor;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }

        public boolean hasNext() {
            return cursor < snapshot.length;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor > 0;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() {
            if (! hasPrevious())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[--cursor];
        }

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

        public int previousIndex() {
            return cursor-1;
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void set(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void add(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
        //对集合中的剩余的元素执行指定的操作
        @Override
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            Object[] elements = snapshot;
            final int size = elements.length;
            for (int i = cursor; i < size; i++) {
                @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
                action.accept(e);
            }
            cursor = size;
        }
    }

 

<think>嗯,用户想了解Javafail-safefail-fast迭代器的区别以及它们的工作原理。我需要先回忆一下这两个概念。根据之前的引用内容,Fail-FastFail-Safe主要与集合的并发修改有关。 首先,Fail-Fast迭代器可能在检测到并发修改时立即抛出异常。比如,当使用ArrayList的迭代器时,如果在遍历过程中集合被修改,就会抛出ConcurrentModificationException。引用[1]提到过Fail-Fast的机制,可能在修改次数(modCount)期望值不一致时触发。那它的实现原理应该是通过一个计数器来记录修改次数,迭代器保存这个值的副本,每次操作前检查是否一致。 然后是Fail-Safe迭代器,比如在并发包里的CopyOnWriteArrayList。引用[2]指出,fail-safe的迭代器在遍历时不会抛出异常,因为它们基于数据快照工作。也就是说,迭代器创建时会复制原集合的数据,之后即使原集合被修改,迭代器看到的还是旧的数据。但这样可能会读到过期的数据,不过避免了异常。 需要区分两者的应用场景。Fail-Fast适用于单线程环境,快速失败有助于尽早发现错误,而Fail-Safe适合多线程并发,避免迭代过程中因修改而中断。引用[3]中可能提到,Fail-Safe的缺点包括内存开销弱一致性,因为复制数据需要额外空间,且无法保证实时性。 用户可能还想知道具体例子,比如哪些集合属于哪种类型。比如,ArrayList的迭代器是Fail-Fast的,而ConcurrentHashMap的迭代器是Fail-Safe的。另外,Fail-Safe的实现方式除了复制数据,可能还有其他的机制,比如使用并发控制来允许修改同时不影响迭代。 可能还要比较两者的优缺点,Fail-Fast的响应速度快但线程不安全Fail-Safe安全但资源消耗大。需要确保解释清晰,让用户明白在何种情况下选择哪种机制。</think>### JavaFail-SafeFail-Fast迭代器的区别及原理 #### 1. **Fail-Fast快速失败)迭代器** - **核心机制**:在遍历集合时,如果检测到集合内容被修改(例如增删元素),**立即抛出$ConcurrentModificationException$**,终止遍历[^1][^3]。 - **实现原理**: - 集合内部维护一个`modCount`(修改计数器),每次修改操作(如`add`、`remove`)会递增该值。 - 迭代器初始化时记录当前的`modCount`,每次遍历时检查是否与当前`modCount`一致。若不一致则触发异常。 - **特点**: - 适用于单线程环境,强调“快速暴露错误”。 - 无法保证多线程并发修改下的安全性。 - **示例集合**:`ArrayList`、`HashMap`的默认迭代器。 #### 2. **Fail-Safe安全失败)迭代器** - **核心机制**:允许在遍历过程中修改集合,**不会抛出异常**,但可能读取到过时数据(弱一致性)[^2]。 - **实现原理**: - 基于集合的**数据快照**:迭代器创建时复制原集合的数据(如`CopyOnWriteArrayList`)或通过并发控制(如`ConcurrentHashMap`的分段锁)[^2]。 - 遍历操作基于快照进行,与原集合的实际修改无关。 - **特点**: - 适用于多线程并发场景,避免遍历中断。 - 可能消耗更多内存(复制数据)且数据非实时。 - **示例集合**:`CopyOnWriteArrayList`、`ConcurrentHashMap`的迭代器。 --- #### **对比表格** | 特性 | Fail-Fast迭代器 | Fail-Safe迭代器 | |---------------------|--------------------------------|--------------------------------| | **异常触发** | 检测到修改立即抛出异常 | 不抛出异常 | | **数据一致性** | 强一致性(遍历时锁定原集合) | 弱一致性(基于快照或并发控制) | | **内存消耗** | 低 | 可能较高(需复制数据) | | **适用场景** | 单线程环境 | 多线程并发环境 | | **典型集合** | `ArrayList`, `HashMap` | `CopyOnWriteArrayList`, `ConcurrentHashMap` | --- #### **工作原理示例** 1. **Fail-Fast场景**: ```java List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3)); Iterator<Integer> it = list.iterator(); list.add(4); // 修改原集合 it.next(); // 抛出ConcurrentModificationException ``` 2. **Fail-Safe场景**: ```java List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3)); Iterator<Integer> it = list.iterator(); list.add(4); // 修改原集合 it.forEachRemaining(System.out::print); // 输出1,2,3(不包含新增的4) ``` ---
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