Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)

编程小6 Java (21) 2024-03-06 14:12

Hi，大家好，我是编程小6，很荣幸遇见你，我把这些年在开发过程中遇到的问题或想法写出来，今天说一说Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法),希望能够帮助你!!!。

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

转载请注明出处：Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)

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 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)_https://bianchenghao6.com/blog_Java_第1张

Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)_https://bianchenghao6.com/blog_Java_第2张

 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 }

View Code

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。

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：

 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 }

View Code

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。

  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 }

View Code

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：

 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 }

View Code

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！

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