Java 集合系列04之 fail-fast总结

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

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

/*
 * @desc java集合中Fast-Fail的测试程序。
 *
 *   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。
 *   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。
 *
 *   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。
 *   (01) 使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下：
 *            private static List<String> list = new ArrayList<String>();
 *   (02) 使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下：
 *            private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
 *
 */
public class FastFailTest {

    private static List<String> list = new ArrayList<String>();
    //private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    public static void main(String[] args) {
    
        // 同时启动两个线程对list进行操作！
        new ThreadOne().start();
        new ThreadTwo().start();
    }

    private static void printAll() {
        System.out.println("");

        String value = null;
        Iterator iter = list.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            value = (String)iter.next();
            System.out.print(value+", ");
        }
    }

    /**
     * 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
     */
    private static class ThreadOne extends Thread {
        public void run() {
            int i = 0;
            while (i<6) {
                list.add(String.valueOf(i));
                printAll();
                i++;
            }
        }
    }

    /**
     * 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
     */
    private static class ThreadTwo extends Thread {
        public void run() {
            int i = 10;
            while (i<16) {
                list.add(String.valueOf(i));
                printAll();
                i++;
            }
        }
    }

}

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

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。

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：

package java.util;

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {

    ...

    // AbstractList中唯一的属性
    // 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
    protected transient int modCount = 0;

    // 返回List对应迭代器。实际上，是返回Itr对象。
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

    // Itr是Iterator(迭代器)的实现类
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor = 0;

        int lastRet = -1;

        // 修改数的记录值。
        // 每次新建Itr()对象时，都会保存新建该对象时对应的modCount；
        // 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；
        // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
        int expectedModCount = modCount;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size();
        }

        public E next() {
            // 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；
            // 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
            checkForComodification();
            try {
                E next = get(cursor);
                lastRet = cursor++;
                return next;
            } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
                checkForComodification();
                throw new NoSuchElementException();
            }
        }

        public void remove() {
            if (lastRet == -1)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                AbstractList.this.remove(lastRet);
                if (lastRet < cursor)
                    cursor--;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

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

    ...
}

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。

package java.util;

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{

    ...

    // list中容量变化时，对应的同步函数
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (minCapacity > oldCapacity) {
            Object oldData[] = elementData;
            int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
            if (newCapacity < minCapacity)
                newCapacity = minCapacity;
            // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }


    // 添加元素到队列最后
    public boolean add(E e) {
        // 修改modCount
        ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    // 添加元素到指定的位置
    public void add(int index, E element) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(
            "Index: "+index+", Size: "+size);

        // 修改modCount
        ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
             size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

    // 添加集合
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 修改modCount
        ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 删除指定位置的元素 
    public E remove(int index) {
        RangeCheck(index);

        // 修改modCount
        modCount++;
        E oldValue = (E) elementData[index];

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work

        return oldValue;
    }

    // 快速删除指定位置的元素 
    private void fastRemove(int index) {

        // 修改modCount
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work
    }

    // 清空集合
    public void clear() {
        // 修改modCount
        modCount++;

        // Let gc do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

    ...
}

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：

1. 新建了一个ArrayList，名称为arrayList。
2. 向arrayList中添加内容。
3. 新建一个“线程a”，并在“线程a”中通过Iterator反复的读取arrayList的值。
4. 新建一个“线程b”，在“线程b”中删除arrayList中的一个“节点A”。
5. 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：

package java.util.concurrent;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
import sun.misc.Unsafe;

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    ...

    // 返回集合对应的迭代器
    public Iterator<E> iterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }

    ...
   
    private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
        private final Object[] snapshot;

        private int cursor;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            // 新建COWIterator时，将集合中的元素保存到一个新的拷贝数组中。
            // 这样，当原始集合的数据改变，拷贝数据中的值也不会变化。
            snapshot = elements;
        }

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

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

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

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

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

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

        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public void set(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public void add(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }
  
    ...

}

从中，我们可以看出:

1. 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。
2. ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的；而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。
3. 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！

为什么CopyOnWriteArrayList可以不比较modCount也能保证数据一致性？

因为getArray()返回的array的类型是volatile的（强制内存一致性）