java集合04--fail fast机制原理以及解决办法

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概要

前面，我们已经学习了ArrayList。接下来，我们以ArrayList为例，对Iterator的fail-fast机制进行了解。内容包括：：
1 fail-fast简介
2 fail-fast示例
3 fail-fast解决办法
4 fail-fast原理
5 解决fail-fast的原理

1 fail-fast简介

fail-fast 机制是java集合(Collection)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示例

示例代码：(FastFailTest.java)

[java] view plain copy

 

1. import java.util.*;  
2. import java.util.concurrent.*;  
3.   
4. /* 
5.  * @desc java集合中Fast-Fail的测试程序。 
6.  * 
7.  *   fast-fail事件产生的条件：当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。 
8.  *   fast-fail解决办法：通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。 
9.  * 
10.  *   本例中，分别测试ArrayList和CopyOnWriteArrayList这两种情况。ArrayList会产生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不会产生fast-fail事件。 
11.  *   (01) 使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下： 
12.  *            private static List<String> list = new ArrayList<String>(); 
13.  *   (02) 使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下： 
14.  *            private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(); 
15.  * 
16.  * @author skywang 
17.  */  
18. public class FastFailTest {  
19.   
20.     private static List<String> list = new ArrayList<String>();  
21.     //private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();  
22.     public static void main(String[] args) {  
23.       
24.         // 同时启动两个线程对list进行操作！  
25.         new ThreadOne().start();  
26.         new ThreadTwo().start();  
27.     }  
28.   
29.     private static void printAll() {  
30.         System.out.println("");  
31.   
32.         String value = null;  
33.         Iterator iter = list.iterator();  
34.         while(iter.hasNext()) {  
35.             value = (String)iter.next();  
36.             System.out.print(value+", ");  
37.         }  
38.     }  
39.   
40.     /** 
41.      * 向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list 
42.      */  
43.     private static class ThreadOne extends Thread {  
44.         public void run() {  
45.             int i = 0;  
46.             while (i<6) {  
47.                 list.add(String.valueOf(i));  
48.                 printAll();  
49.                 i++;  
50.             }  
51.         }  
52.     }  
53.   
54.     /** 
55.      * 向list中依次添加10,11,12,13,14,15，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list 
56.      */  
57.     private static class ThreadTwo extends Thread {  
58.         public void run() {  
59.             int i = 10;  
60.             while (i<16) {  
61.                 list.add(String.valueOf(i));  
62.                 printAll();  
63.                 i++;  
64.             }  
65.         }  
66.     }  
67.   
68. }  

运行结果：
运行该代码，抛出异常java.util.ConcurrentModificationException！即，产生fail-fast事件！

结果说明：
(01) FastFailTest中通过 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同时启动两个线程去操作list。
    ThreadOne线程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
    ThreadTwo线程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
(02) 当某一个线程遍历list的过程中，list的内容被另外一个线程所改变了；就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。

3 fail-fast解决办法

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

[java] view plain copy

 

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

替换为

[java] view plain copy

 

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

则可以解决问题。

4 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?

我们知道，ConcurrentModificationException是在操作Iterator时抛出的异常。我们先看看Iterator的源码。ArrayList的Iterator是在父类AbstractList.java中实现的。代码如下：

[java] view plain copy

 

1. package java.util;  
2.   
3. public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {  
4.   
5.     ...  
6.   
7.     // AbstractList中唯一的属性  
8.     // 用来记录List修改的次数：每修改一次(添加/删除等操作)，将modCount+1  
9.     protected transient int modCount = 0;  
10.   
11.     // 返回List对应迭代器。实际上，是返回Itr对象。  
12.     public Iterator<E> iterator() {  
13.         return new Itr();  
14.     }  
15.   
16.     // Itr是Iterator(迭代器)的实现类  
17.     private class Itr implements Iterator<E> {  
18.         int cursor = 0;  
19.   
20.         int lastRet = -1;  
21.   
22.         // 修改数的记录值。  
23.         // 每次新建Itr()对象时，都会保存新建该对象时对应的modCount；  
24.         // 以后每次遍历List中的元素的时候，都会比较expectedModCount和modCount是否相等；  
25.         // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。  
26.         int expectedModCount = modCount;  
27.   
28.         public boolean hasNext() {  
29.             return cursor != size();  
30.         }  
31.   
32.         public E next() {  
33.             // 获取下一个元素之前，都会判断“新建Itr对象时保存的modCount”和“当前的modCount”是否相等；  
34.             // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。  
35.             checkForComodification();  
36.             try {  
37.                 E next = get(cursor);  
38.                 lastRet = cursor++;  
39.                 return next;  
40.             } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
41.                 checkForComodification();  
42.                 throw new NoSuchElementException();  
43.             }  
44.         }  
45.   
46.         public void remove() {  
47.             if (lastRet == -1)  
48.                 throw new IllegalStateException();  
49.             checkForComodification();  
50.   
51.             try {  
52.                 AbstractList.this.remove(lastRet);  
53.                 if (lastRet < cursor)  
54.                     cursor--;  
55.                 lastRet = -1;  
56.                 expectedModCount = modCount;  
57.             } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
58.                 throw new ConcurrentModificationException();  
59.             }  
60.         }  
61.   
62.         final void checkForComodification() {  
63.             if (modCount != expectedModCount)  
64.                 throw new ConcurrentModificationException();  
65.         }  
66.     }  
67.   
68.     ...  
69. }  

从中，我们可以发现在调用 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Itr类中，我们知道 expectedModCount 在创建Itr对象时，被赋值为 modCount。通过Itr，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。

[java] view plain copy

 

1. package java.util;  
2.   
3. public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  
4.         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable  
5. {  
6.   
7.     ...  
8.   
9.     // list中容量变化时，对应的同步函数  
10.     public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
11.         modCount++;  
12.         int oldCapacity = elementData.length;  
13.         if (minCapacity > oldCapacity) {  
14.             Object oldData[] = elementData;  
15.             int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
16.             if (newCapacity < minCapacity)  
17.                 newCapacity = minCapacity;  
18.             // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
19.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
20.         }  
21.     }  
22.   
23.   
24.     // 添加元素到队列最后  
25.     public boolean add(E e) {  
26.         // 修改modCount  
27.         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
28.         elementData[size++] = e;  
29.         return true;  
30.     }  
31.   
32.   
33.     // 添加元素到指定的位置  
34.     public void add(int index, E element) {  
35.         if (index > size || index < 0)  
36.             throw new IndexOutOfBoundsException(  
37.             "Index: "+index+", Size: "+size);  
38.   
39.         // 修改modCount  
40.         ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
41.         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,  
42.              size - index);  
43.         elementData[index] = element;  
44.         size++;  
45.     }  
46.   
47.     // 添加集合  
48.     public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
49.         Object[] a = c.toArray();  
50.         int numNew = a.length;  
51.         // 修改modCount  
52.         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
53.         System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);  
54.         size += numNew;  
55.         return numNew != 0;  
56.     }  
57.      
58.   
59.     // 删除指定位置的元素   
60.     public E remove(int index) {  
61.         RangeCheck(index);  
62.   
63.         // 修改modCount  
64.         modCount++;  
65.         E oldValue = (E) elementData[index];  
66.   
67.         int numMoved = size - index - 1;  
68.         if (numMoved > 0)  
69.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);  
70.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
71.   
72.         return oldValue;  
73.     }  
74.   
75.   
76.     // 快速删除指定位置的元素   
77.     private void fastRemove(int index) {  
78.   
79.         // 修改modCount  
80.         modCount++;  
81.         int numMoved = size - index - 1;  
82.         if (numMoved > 0)  
83.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
84.                              numMoved);  
85.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
86.     }  
87.   
88.     // 清空集合  
89.     public void clear() {  
90.         // 修改modCount  
91.         modCount++;  
92.   
93.         // Let gc do its work  
94.         for (int i = 0; i < size; i++)  
95.             elementData[i] = null;  
96.   
97.         size = 0;  
98.     }  
99.   
100.     ...  
101. }  

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。

接下来，我们再系统的梳理一下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。

5 解决fail-fast的原理

上面，说明了“解决fail-fast机制的办法”，也知道了“fail-fast产生的根本原因”。接下来，我们再进一步谈谈java.util.concurrent包中是如何解决fail-fast事件的。
还是以和ArrayList对应的CopyOnWriteArrayList进行说明。我们先看看CopyOnWriteArrayList的源码：

[java] view plain copy

 

1. package java.util.concurrent;  
2. import java.util.*;  
3. import java.util.concurrent.locks.*;  
4. import sun.misc.Unsafe;  
5.   
6. public class CopyOnWriteArrayList<E>  
7.     implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {  
8.   
9.     ...  
10.   
11.     // 返回集合对应的迭代器  
12.     public Iterator<E> iterator() {  
13.         return new COWIterator<E>(getArray(), 0);  
14.     }  
15.   
16.     ...  
17.      
18.     private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {  
19.         private final Object[] snapshot;  
20.   
21.         private int cursor;  
22.   
23.         private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {  
24.             cursor = initialCursor;  
25.             // 新建COWIterator时，将集合中的元素保存到一个新的拷贝数组中。  
26.             // 这样，当原始集合的数据改变，拷贝数据中的值也不会变化。  
27.             snapshot = elements;  
28.         }  
29.   
30.         public boolean hasNext() {  
31.             return cursor < snapshot.length;  
32.         }  
33.   
34.         public boolean hasPrevious() {  
35.             return cursor > 0;  
36.         }  
37.   
38.         public E next() {  
39.             if (! hasNext())  
40.                 throw new NoSuchElementException();  
41.             return (E) snapshot[cursor++];  
42.         }  
43.   
44.         public E previous() {  
45.             if (! hasPrevious())  
46.                 throw new NoSuchElementException();  
47.             return (E) snapshot[--cursor];  
48.         }  
49.   
50.         public int nextIndex() {  
51.             return cursor;  
52.         }  
53.   
54.         public int previousIndex() {  
55.             return cursor-1;  
56.         }  
57.   
58.         public void remove() {  
59.             throw new UnsupportedOperationException();  
60.         }  
61.   
62.         public void set(E e) {  
63.             throw new UnsupportedOperationException();  
64.         }  
65.   
66.         public void add(E e) {  
67.             throw new UnsupportedOperationException();  
68.         }  
69.     }  
70.     
71.     ...  
72.   
73. }  

从中，我们可以看出:

(01) 和ArrayList继承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList没有继承于AbstractList，它仅仅只是实现了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的；而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。
(03) ArrayList的Iterator实现类中调用next()时，会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中，没有所谓的checkForComodification()，更不会抛出ConcurrentModificationException异常！