fail-fast快速失败机制

fail-fast俗称快速失败,是在多线程进行迭代操作时产生冲突的一种异常抛出机制,下面我们就由ArrayList来深入理解Java中的fail-fast机制.

转载于：https://blog.youkuaiyun.com/zymx14/article/details/78394464

1. fail-fast简介

“快速失败”也就是fail-fast，它是Java集合的一种错误检测机制。某个线程在对collection进行迭代时，不允许其他线程对该collection进行结构上的修改。
例如：假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，从而产生fail-fast。
迭代器的快速失败行为无法得到保证，它不能保证一定会出现该错误，因此，ConcurrentModificationException应该仅用于检测 bug。
Java.util包中的所有集合类都是快速失败的，而java.util.concurrent包中的集合类都是安全失败的；
快速失败的迭代器抛出ConcurrentModificationException，而安全失败的迭代器从不抛出这个异常。

fail-fast的出现场景
在我们常见的java集合中就可能出现fail-fast机制,比如ArrayList，HashMap。在多线程和单线程环境下都有可能出现快速失败。
1、单线程环境下的fail-fast：
ArrayList发生fail-fast例子：

     public static void main(String[] args) {
           List<String> list = new ArrayList<>();
           for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
                list.add(i + "");
           }
           Iterator<String> iterator = list.iterator();
           int i = 0 ;
           while(iterator.hasNext()) {
                if (i == 3) {
                     list.remove(3);
                }
                System.out.println(iterator.next());
                i ++;
           }
     }

该段代码定义了一个Arraylist集合，并使用迭代器遍历，在遍历过程中，刻意在某一步迭代中remove一个元素，这个时候，就会发生fail-fast。

fail-fast的原理

fail-fast是如何抛出ConcurrentModificationException异常的，又是在什么情况下才会抛出?
我们知道，对于集合如list，map类，我们都可以通过迭代器来遍历，而Iterator其实只是一个接口，具体的实现还是要看具体的集合类中的内部类去实现Iterator并实现相关方法。这里我们就以ArrayList类为例。在ArrayList中，当调用list.iterator()时，其源码是：

    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

即它会返回一个新的Itr类，而Itr类是ArrayList的内部类，实现了Iterator接口，下面是该类的源码：

    /**
     * An optimized version of AbstractList.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();
            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();
            }
        }
 
        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }
 
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

避免fail-fast

了解了fail-fast机制的产生原理，接下来就看看如何解决fail-fast
方法1
在单线程的遍历过程中，如果要进行remove操作，可以调用迭代器的remove方法而不是集合类的remove方法。看看ArrayList中迭代器的remove方法的源码：

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();
    }
}

可以看到，该remove方法并不会修改modCount的值，并且不会对后面的遍历造成影响，因为该方法remove不能指定元素，只能remove当前遍历过的那个元素，所以调用该方法并不会发生fail-fast现象。该方法有局限性。
例子：

     public static void main(String[] args) {
           List<String> list = new ArrayList<>();
           for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
                list.add(i + "");
           }
           Iterator<String> iterator = list.iterator();
           int i = 0 ;
           while(iterator.hasNext()) {
                if (i == 3) {
                     iterator.remove(); //迭代器的remove()方法
                }
                System.out.println(iterator.next());
                i ++;
           }
     }

方法2

使用java并发包(java.util.concurrent)中的类来代替ArrayList 和hashMap。
比如使用 CopyOnWriterArrayList代替ArrayList，CopyOnWriterArrayList在是使用上跟ArrayList几乎一样，CopyOnWriter是写时复制的容器(COW)，在读写时是线程安全的。该容器在对add和remove等操作时，并不是在原数组上进行修改，而是将原数组拷贝一份，在新数组上进行修改，待完成后，才将指向旧数组的引用指向新数组，所以对于CopyOnWriterArrayList在迭代过程并不会发生fail-fast现象。但 CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。
对于HashMap，可以使用ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap采用了锁机制，是线程安全的。在迭代方面，ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 ，iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变。即迭代不会发生fail-fast，但不保证获取的是最新的数据。