Java提高篇（三四）-----fail-fast机制

在JDK的Collection中我们时常会看到相似于这种话：

比如，ArrayList:

HashMap中：

在这两段话中重复地提到”高速失败”。那么何为”高速失败”机制呢？

“高速失败”也就是fail-fast。它是Java集合的一种错误检測机制。

当多个线程对集合进行结构上的改变的操作时，有可能会产生fail-fast机制。记住是有可能。而不是一定。比如：如果存在两个线程（线程1、线程2）。线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2改动了集合A的结构（是结构上面的改动，而不是简单的改动集合元素的内容）。那么这个时候程序就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。从而产生fail-fast机制。

一、fail-fast演示样例

public class FailFastTest {
private static List<Integer> list = new ArrayList<>();

/**
* @desc:线程one迭代list
* @Project:test
* @file:FailFastTest.java
* @Authro:chenssy
* @data:2014年7月26日
*/
private static class threadOne extends Thread{
public void run() {
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
int i = iterator.next();
System.out.println("ThreadOne 遍历:" + i);
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

/**
* @desc:当i == 3时，改动list
* @Project:test
* @file:FailFastTest.java
* @Authro:chenssy
* @data:2014年7月26日
*/
private static class threadTwo extends Thread{
public void run(){
int i = 0 ;
while(i < 6){
System.out.println("ThreadTwo run：" + i);
if(i == 3){
list.remove(i);
}
i++;
}
}
}

public static void main(String[] args) {
for(int i = 0 ; i < 10;i++){
list.add(i);
}
new threadOne().start();
new threadTwo().start();
}
}

执行结果：

ThreadOne 遍历:0
ThreadTwo run：0
ThreadTwo run：1
ThreadTwo run：2
ThreadTwo run：3
ThreadTwo run：4
ThreadTwo run：5
Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(Unknown Source)
at java.util.ArrayList$Itr.next(Unknown Source)
at test.ArrayListTest$threadOne.run(ArrayListTest.java:23)

二、fail-fast产生原因

通过上面的演示样例和解说，我初步知道fail-fast产生的原因就在于程序在对 collection 进行迭代时，某个线程对该 collection 在结构上对其做了改动。这时迭代器就会抛出 ConcurrentModificationException 异常信息。从而产生 fail-fast。

要了解fail-fast机制。我们首先要对ConcurrentModificationException 异常有所了解。

当方法检測到对象的并发改动，但不同意这种改动时就抛出该异常。同一时候须要注意的是。该异常不会始终指出对象已经由不同线程并发改动。如果单线程违反了规则，相同也有可能会抛出改异常。

诚然，迭代器的高速失败行为无法得到保证，它不能保证一定会出现该错误。可是高速失败操作会尽最大努力抛出ConcurrentModificationException异常，所以因此，为提高此类操作的正确性而编写一个依赖于此异常的程序是错误的做法。正确做法是：ConcurrentModificationException 应该仅用于检測 bug。

以下我将以ArrayList为例进一步分析fail-fast产生的原因。

从前面我们知道fail-fast是在操作迭代器时产生的。如今我们来看看ArrayList中迭代器的源码：

private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor;
int lastRet = -1;
int expectedModCount = ArrayList.this.modCount;

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

public E next() {
checkForComodification();
/** 省略此处代码 */
}

public void remove() {
if (this.lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
/** 省略此处代码 */
}

final void checkForComodification() {
if (ArrayList.this.modCount == this.expectedModCount)
return;
throw new ConcurrentModificationException();
}
}

从上面的源码我们能够看出，迭代器在调用next()、remove()方法时都是调用checkForComodification()方法，该方法主要就是检測modCount == expectedModCount ?

若不等则抛出ConcurrentModificationException 异常，从而产生fail-fast机制。所以要弄清楚为什么会产生fail-fast机制我们就必须要用弄明确为什么modCount != expectedModCount 。他们的值在什么时候发生改变的。

expectedModCount 是在Itr中定义的：int expectedModCount = ArrayList.this.modCount;所以他的值是不可能会改动的。所以会变的就是modCount。modCount是在 AbstractList 中定义的，为全局变量：

protected transient int modCount = 0;

那么他什么时候由于什么原因而发生改变呢？请看ArrayList的源码：

public boolean add(E paramE) {
ensureCapacityInternal(this.size + 1);
/** 省略此处代码 */
}

private void ensureCapacityInternal(int paramInt) {
if (this.elementData == EMPTY_ELEMENTDATA)
paramInt = Math.max(10, paramInt);
ensureExplicitCapacity(paramInt);
}

private void ensureExplicitCapacity(int paramInt) {
this.modCount += 1;    //改动modCount
/** 省略此处代码 */
}

public boolean remove(Object paramObject) {
int i;
if (paramObject == null)
for (i = 0; i < this.size; ++i) {
if (this.elementData[i] != null)
continue;
fastRemove(i);
return true;
}
else
for (i = 0; i < this.size; ++i) {
if (!(paramObject.equals(this.elementData[i])))
continue;
fastRemove(i);
return true;
}
return false;
}

private void fastRemove(int paramInt) {
this.modCount += 1;   //改动modCount
/** 省略此处代码 */
}

public void clear() {
this.modCount += 1;    //改动modCount
/** 省略此处代码 */
}

从上面的源码我们能够看出。ArrayList中不管add、remove、clear方法仅仅要是涉及了改变ArrayList元素的个数的方法都会导致modCount的改变。所以我们这里能够初步推断由于expectedModCount 得值与modCount的改变不同步，导致两者之间不等从而产生fail-fast机制。知道产生fail-fast产生的根本原因了，我们能够有例如以下场景：

有两个线程（线程A，线程B）。当中线程A负责遍历list、线程B改动list。线程A在遍历list过程的某个时候（此时expectedModCount = modCount=N）。线程启动。同一时候线程B添加一个元素，这是modCount的值发生改变（modCount + 1 = N + 1）。线程A继续遍历执行next方法时。通告checkForComodification方法发现expectedModCount = N ，而modCount = N + 1，两者不等，这时就抛出ConcurrentModificationException 异常。从而产生fail-fast机制。

所以，直到这里我们已经全然了解了fail-fast产生的根本原因了。

知道了原因就好找解决的方法了。

三、fail-fast解决的方法

通过前面的实例、源码分析，我想各位已经基本了解了fail-fast的机制。以下我就产生的原因提出解决方式。这里有两种解决方式：

方案一：在遍历过程中全部涉及到改变modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，这样就能够解决。

可是不推荐，由于增删造成的同步锁可能会堵塞遍历操作。

方案二：使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。

推荐使用该方案。

CopyOnWriteArrayList为何物？ArrayList 的一个线程安全的变体，当中全部可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。

该类产生的开销比較大，可是在两种情况下，它很适合使用。1：在不能或不想进行同步遍历，但又须要从并发线程中排除冲突时。2：当遍历操作的数量大大超过可变操作的数量时。

遇到这两种情况使用CopyOnWriteArrayList来替代ArrayList再适合只是了。那么为什么CopyOnWriterArrayList能够替代ArrayList呢？

第一、CopyOnWriterArrayList的不管是从数据结构、定义都和ArrayList一样。它和ArrayList一样，相同是实现List接口。底层使用数组实现。在方法上也包括add、remove、clear、iterator等方法。

第二、CopyOnWriterArrayList根本就不会产生ConcurrentModificationException异常，也就是它使用迭代器全然不会产生fail-fast机制。

请看：

private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** 省略此处代码 */
public E next() {
if (!(hasNext()))
throw new NoSuchElementException();
return this.snapshot[(this.cursor++)];
}

/** 省略此处代码 */
}

CopyOnWriterArrayList的方法根本就没有像ArrayList中使用checkForComodification方法来推断expectedModCount 与 modCount 是否相等。

它为什么会这么做。凭什么能够这么做呢？我们以add方法为例：

public boolean add(E paramE) {
ReentrantLock localReentrantLock = this.lock;
localReentrantLock.lock();
try {
Object[] arrayOfObject1 = getArray();
int i = arrayOfObject1.length;
Object[] arrayOfObject2 = Arrays.copyOf(arrayOfObject1, i + 1);
arrayOfObject2[i] = paramE;
setArray(arrayOfObject2);
int j = 1;
return j;
} finally {
localReentrantLock.unlock();
}
}

final void setArray(Object[] paramArrayOfObject) {
this.array = paramArrayOfObject;
}

CopyOnWriterArrayList的add方法与ArrayList的add方法有一个最大的不同点就在于。以下三句代码：

Object[] arrayOfObject2 = Arrays.copyOf(arrayOfObject1, i + 1);
arrayOfObject2[i] = paramE;
setArray(arrayOfObject2);

就是这三句代码使得CopyOnWriterArrayList不会抛ConcurrentModificationException异常。他们所展现的魅力就在于copy原来的array，再在copy数组上进行add操作，这样做就全然不会影响COWIterator中的array了。

所以CopyOnWriterArrayList所代表的核心概念就是：不论什么对array在结构上有所改变的操作（add、remove、clear等），CopyOnWriterArrayList都会copy现有的数据，再在copy的数据上改动，这样就不会影响COWIterator中的数据了。改动完毕之后改变原有数据的引用就可以。同一时候这样造成的代价就是产生大量的对象，同一时候数组的copy也是相当有损耗的。

參考文档：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308762.html#a3

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