集合ArrayList、HashMap的fail-fast(快速失败)以及fail-safe(安全失败)

本文详细解析了Java集合中Fail-Fast机制的原理,包括其触发条件及解决办法,并对比介绍了Fail-Safe机制的工作方式,帮助读者深入理解多线程环境中集合操作的安全性。

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1、fail-fast(快速失败)简介

fail-fast 机制是java集合(Collection和Map)中的一种错误机制。当多个线程对同一个集合的内容进行操作时,就可能会产生fail-fast事件。

例如:当某一个线程A通过iterator去遍历某集合的过程中,若该集合的内容被其他线程所改变了;那么线程A访问集合时,就会抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。

在详细介绍fail-fast机制的原理之前,先通过一个示例来认识fail-fast。

2 、fail-fast原理

产生fail-fast事件,是通过抛出ConcurrentModificationException异常来触发的。
那么,ArrayList是如何抛出ConcurrentModificationException异常的呢?

在Iterator调用 next() 和 remove()时,都会执行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”,则抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。

要搞明白 fail-fast机制,我们就要需要理解什么时候“modCount 不等于 expectedModCount”!

从Iterator类中,我们知道 expectedModCount 在创建Iterator对象时,被赋值为 modCount。通过Iterator,我们知道:expectedModCount不可能被修改为不等于 modCount。所以,需要考证的就是modCount何时会被修改
接下来,我们查看ArrayList的源码,来看看modCount是如何被修改的。
从中,我们发现:无论是add()、remove(),还是clear(),只要涉及到修改集合中的元素个数时,都会改变modCount的值

我们系统的梳理一下fail-fast是怎么产生的。步骤如下:
(01) 新建了一个ArrayList,名称为arrayList。
(02) 向arrayList中添加内容。
(03) 新建一个“线程a”,并在“线程a”中通过Iterator反复的读取arrayList的值。
(04) 新建一个“线程b”,在“线程b”中删除arrayList中的一个“节点A”。
(05) 这时,就会产生有趣的事件了。

在某一时刻,“线程a”创建了arrayList的Iterator。此时“节点A”仍然存在于arrayList中,创建arrayList时,expectedModCount = modCount(假设它们此时的值为N)。

在“线程a”在遍历arrayList过程中的某一时刻,“线程b”执行了,并且“线程b”删除了arrayList中的“节点A”。“线程b”执行remove()进行删除操作时,在remove()中执行了“modCount++”,此时modCount变成了N+1!

“线程a”接着遍历,当它执行到next()函数时,调用checkForComodification()比较“expectedModCount”和“modCount”的大小;

而“expectedModCount=N”,“modCount=N+1”,这样,便抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。

至此,我们就完全了解了fail-fast是如何产生的!

即,当多个线程对同一个集合进行操作的时候,某线程访问集合的过程中,该集合的内容被其他线程所改变(即其它线程通过add、remove、clear等方法,改变了modCount的值);这时,就会抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。

3、fail-fast解决办法——fail-safe

fail-fast机制,是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误,因为JDK并不保证fail-fast机制一定会发生。若在多线程环境下使用fail-fast机制的集合,建议使用“java.util.concurrent包下的类”去取代“java.util包下的类”。
所以,本例中只需要将ArrayList替换成java.util.concurrent包下对应的类即可。
即,将代码

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

替换为

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

则可以解决该办法。

4、fail-safe(安全失败)原理

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,修改结束后再将原列表指向这个修改过的列表
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。

那是怎么保证线程安全的呢?其实是加了锁,把修改的操作加了锁,但是读的话没有加锁,读的还是读的老数据,直到修改完成才读新数据。

见:https://blog.youkuaiyun.com/weixin_34416649/article/details/92415643

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。

场景:
java.util.concurrent包下的容器都是安全失败,可以在多线程下并发使用,并发修改。(它们保证线程安全的方法是在add等写的操作上加了锁。)

快速失败和安全失败是对迭代器而言的。 快速失败:当在迭代一个集合的时候,如果有另外一个线程在修改这个集合,就会抛出ConcurrentModification异常,java.util下都是快速失败。 安全失败:在迭代时候会在集合二层做一个拷贝,所以在修改集合上层元素不会影响下层。在java.util.concurrent下都是安全失败

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