java中的fail-fast(快速失败)机制

引入

在前面介绍 ArrayList的扩容问题时对于modCount的操作没有详细说明，该变量的操作在add，remove等操作中都会发生改变。那么该变量到底有什么作用呢？

简介

fail-fast 机制，即快速失败机制，是java集合(Collection)中的一种错误检测机制。当在迭代集合的过程中该集合在结构上发生改变的时候，就有可能会发生fail-fast，即抛出 ConcurrentModificationException异常。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定会抛出异常，它只是尽最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测bug。

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：

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1. public static void main(String[] args) {  
2.       List<String> list = new ArrayList<>();  
3.       for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {  
4.            list.add(i + "");  
5.       }  
6.       Iterator<String> iterator = list.iterator();  
7.       int i = 0 ;  
8.       while(iterator.hasNext()) {  
9.            if (i == 3) {  
10.                 list.remove(3);  
11.            }  
12.            System.out.println(iterator.next());  
13.            i ++;  
14.       }  
15. }

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。

HashMap发生fail-fast：

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1. public static void main(String[] args) {  
2.       Map<String, String> map = new HashMap<>();  
3.       for (int i = 0 ; i < 10 ; i ++ ) {  
4.            map.put(i+"", i+"");  
5.       }  
6.       Iterator<Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();  
7.       int i = 0;  
8.       while (it.hasNext()) {  
9.            if (i == 3) {  
10.                 map.remove(3+"");  
11.            }  
12.            Entry<String, String> entry = it.next();  
13.            System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());  
14.            i++;  
15.    }  
16. }  

该段代码定义了一个hashmap对象并存放了10个键值对，在迭代遍历过程中，使用map的remove方法移除了一个元素，导致抛出了 ConcurrentModificationException异常：

2、多线程环境下：

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1. public class FailFastTest {  
2.      public static List<String> list = new ArrayList<>();  
3.   
4.      private static class MyThread1 extends Thread {  
5.            @Override  
6.            public void run() {  
7.                 Iterator<String> iterator = list.iterator();  
8.                 while(iterator.hasNext()) {  
9.                      String s = iterator.next();  
10.                      System.out.println(this.getName() + ":" + s);  
11.                      try {  
12.                     Thread.sleep(1000);  
13.                 } catch (InterruptedException e) {  
14.                     e.printStackTrace();  
15.                 }  
16.                 }  
17.                 super.run();  
18.            }  
19.      }  
20.   
21.      private static class MyThread2 extends Thread {  
22.            int i = 0;  
23.            @Override  
24.            public void run() {  
25.                 while (i < 10) {  
26.                      System.out.println("thread2:" + i);  
27.                      if (i == 2) {  
28.                            list.remove(i);  
29.                      }  
30.                      try {  
31.                     Thread.sleep(1000);  
32.                 } catch (InterruptedException e) {  
33.                     e.printStackTrace();  
34.                 }  
35.                      i ++;  
36.                 }  
37.            }  
38.      }  
39.   
40.      public static void main(String[] args) {  
41.            for(int i = 0 ; i < 10;i++){  
42.             list.add(i+"");  
43.         }  
44.            MyThread1 thread1 = new MyThread1();  
45.            MyThread2 thread2 = new MyThread2();  
46.            thread1.setName("thread1");  
47.            thread2.setName("thread2");  
48.            thread1.start();  
49.            thread2.start();  
50.      }  
51. }  

启动两个线程，分别对其中一个对list进行迭代，另一个在线程1的迭代过程中去remove一个元素，结果也是抛出了java.util.ConcurrentModificationException

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：

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1. public Iterator<E> iterator() {  
2.     return new Itr();  
3. }  

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：

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1. /** 
2.  * An optimized version of AbstractList.Itr 
3.  */  
4. private class Itr implements Iterator<E> {  
5.     int cursor;       // index of next element to return  
6.     int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such  
7.     int expectedModCount = modCount;  
8.   
9.     public boolean hasNext() {  
10.         return cursor != size;  
11.     }  
12.   
13.     @SuppressWarnings("unchecked")  
14.     public E next() {  
15.         checkForComodification();  
16.         int i = cursor;  
17.         if (i >= size)  
18.             throw new NoSuchElementException();  
19.         Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;  
20.         if (i >= elementData.length)  
21.             throw new ConcurrentModificationException();  
22.         cursor = i + 1;  
23.         return (E) elementData[lastRet = i];  
24.     }  
25.   
26.     public void remove() {  
27.         if (lastRet < 0)  
28.             throw new IllegalStateException();  
29.         checkForComodification();  
30.   
31.         try {  
32.             ArrayList.this.remove(lastRet);  
33.             cursor = lastRet;  
34.             lastRet = -1;  
35.             expectedModCount = modCount;  
36.         } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {  
37.             throw new ConcurrentModificationException();  
38.         }  
39.     }  
40.   
41.     @Override  
42.     @SuppressWarnings("unchecked")  
43.     public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {  
44.         Objects.requireNonNull(consumer);  
45.         final int size = ArrayList.this.size;  
46.         int i = cursor;  
47.         if (i >= size) {  
48.             return;  
49.         }  
50.         final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;  
51.         if (i >= elementData.length) {  
52.             throw new ConcurrentModificationException();  
53.         }  
54.         while (i != size && modCount == expectedModCount) {  
55.             consumer.accept((E) elementData[i++]);  
56.         }  
57.         // update once at end of iteration to reduce heap write traffic  
58.         cursor = i;  
59.         lastRet = i - 1;  
60.         checkForComodification();  
61.     }  
62.   
63.     final void checkForComodification() {  
64.         if (modCount != expectedModCount)  
65.             throw new ConcurrentModificationException();  
66.     }  
67. }  

其中，有三个属性：

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1. int cursor;       // index of next element to return  
2. int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such  
3. int expectedModCount = modCount;  

cursor是指集合遍历过程中的即将遍历的元素的索引，lastRet是cursor -1，默认为-1，即不存在上一个时，为-1，它主要用于记录刚刚遍历过的元素的索引。expectedModCount这个就是fail-fast判断的关键变量了，它初始值就为ArrayList中的modCount。（modCount是抽象类AbstractList中的变量，默认为0，而ArrayList 继承了AbstractList ，所以也有这个变量，modCount用于记录集合操作过程中作的修改次数，与size还是有区别的，并不一定等于size）

我们一步一步来看：

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1. public boolean hasNext() {  
2.     return cursor != size;  
3. }  

迭代器迭代结束的标志就是hasNext()返回false，而该方法就是用cursor游标和size(集合中的元素数目)进行对比，当cursor等于size时，表示已经遍历完成。

接下来看看最关心的next()方法，看看为什么在迭代过程中，如果有线程对集合结构做出改变，就会发生fail-fast：

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1. @SuppressWarnings("unchecked")  
2.  public E next() {  
3.      checkForComodification();  
4.      int i = cursor;  
5.      if (i >= size)  
6.          throw new NoSuchElementException();  
7.      Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;  
8.      if (i >= elementData.length)  
9.          throw new ConcurrentModificationException();  
10.      cursor = i + 1;  
11.      return (E) elementData[lastRet = i];  
12.  }  

从源码知道，每次调用next()方法，在实际访问元素前，都会调用checkForComodification方法，该方法源码如下：

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1. final void checkForComodification() {  
2.     if (modCount != expectedModCount)  
3.         throw new ConcurrentModificationException();  
4. }  

可以看出，该方法才是判断是否抛出ConcurrentModificationException异常的关键。在该段代码中，当modCount != expectedModCount

时，就会抛出该异常。但是在一开始的时候，expectedModCount初始值默认等于modCount，为什么会出现modCount != expectedModCount，很明显expectedModCount在整个迭代过程除了一开始赋予初始值modCount外，并没有再发生改变，所以可能发生改变的就只有modCount，在前面关于ArrayList扩容机制的分析中，可以知道在ArrayList进行add，remove，clear等涉及到修改集合中的元素个数的操作时，modCount就会发生改变(modCount ++),所以当另一个线程(并发修改)或者同一个线程遍历过程中，调用相关方法使集合的个数发生改变，就会使modCount发生变化，这样在checkForComodification方法中就会抛出ConcurrentModificationException异常。

类似的，hashMap中发生的原理也是一样的。

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：

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1. public void remove() {  
2.     if (lastRet < 0)  
3.         throw new IllegalStateException();  
4.     checkForComodification();  
5.   
6.     try {  
7.         ArrayList.this.remove(lastRet);  
8.         cursor = lastRet;  
9.         lastRet = -1;  
10.         expectedModCount = modCount;  
11.     } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {  
12.         throw new ConcurrentModificationException();  
13.     }  
14. }  

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：

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1. public static void main(String[] args) {  
2.       List<String> list = new ArrayList<>();  
3.       for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {  
4.            list.add(i + "");  
5.       }  
6.       Iterator<String> iterator = list.iterator();  
7.       int i = 0 ;  
8.       while(iterator.hasNext()) {  
9.            if (i == 3) {  
10.                 iterator.remove(); //迭代器的remove()方法  
11.            }  
12.            System.out.println(iterator.next());  
13.            i ++;  
14.       }  
15. }  

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。

参考链接：

http://www.jb51.net/article/84468.htm

http://www.cnblogs.com/ccgjava/p/6347425.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral

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