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fail-fast簡介

fail-fast 機(jī)制是java集合中的一種錯(cuò)誤機(jī)制。當(dāng)多個(gè)線程對同一個(gè)集合的內(nèi)容進(jìn)行操作時(shí)，就可能會產(chǎn)生fail-fast事件全度。例如：當(dāng)某一個(gè)線程A通過iterator去遍歷某集合的過程中县踢，若該集合的內(nèi)容被其他線程所改變了侮穿；那么線程A訪問集合時(shí)瘫拣，就會拋出
ConcurrentModificationException異常搏明，產(chǎn)生fail-fast事件亚再。在詳細(xì)介紹fail-fast機(jī)制的原理之前郭膛，先通過一個(gè)示例來認(rèn)識fail-fast。

fail-fast示例

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
 * @desc java集合中Fast-Fail的測試程序氛悬。
 *
 *   fast-fail事件產(chǎn)生的條件：當(dāng)多個(gè)線程對Collection進(jìn)行操作時(shí)则剃，若其中某一個(gè)線程通過iterator去遍歷集合時(shí)，該集合的內(nèi)容被其他線程所改變如捅；則會拋出ConcurrentModificationException異常棍现。
 *   fast-fail解決辦法：通過util.concurrent集合包下的相應(yīng)類去處理，則不會產(chǎn)生fast-fail事件镜遣。
 *
 *   本例中己肮，分別測試ArrayList和CopyOnWriteArrayList這兩種情況。ArrayList會產(chǎn)生fast-fail事件悲关，而CopyOnWriteArrayList不會產(chǎn)生fast-fail事件谎僻。
 *   (01) 使用ArrayList時(shí)，會產(chǎn)生fast-fail事件寓辱，拋出ConcurrentModificationException異常戈稿；定義如下：
 *            private static List<String> list = new ArrayList<String>();
 *   (02) 使用時(shí)CopyOnWriteArrayList，不會產(chǎn)生fast-fail事件讶舰；定義如下：
 *            private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
 *
 * @author skywang
 */
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) {    
        // 同時(shí)啟動兩個(gè)線程對list進(jìn)行操作鞍盗！
        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，每添加一個(gè)數(shù)之后跳昼，就通過printAll()遍歷整個(gè)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般甲，每添加一個(gè)數(shù)之后，就通過printAll()遍歷整個(gè)list
     */
    private static class ThreadTwo extends Thread {
        public void run() {
            int i = 10;
            while (i<16) {
                list.add(String.valueOf(i));
                printAll();
                i++;
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：運(yùn)行該代碼鹅颊，拋出異常java.util.ConcurrentModificationException敷存！即，產(chǎn)生fail-fast事件！
結(jié)果說明：
(01) FastFailTest中通過 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同時(shí)啟動兩個(gè)線程去操作list锚烦。
ThreadOne線程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5觅闽。每添加一個(gè)數(shù)之后，就通過printAll()遍歷整個(gè)list涮俄。
ThreadTwo線程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15蛉拙。每添加一個(gè)數(shù)之后，就通過printAll()遍歷整個(gè)list彻亲。
(02) 當(dāng)某一個(gè)線程遍歷list的過程中孕锄，list的內(nèi)容被另外一個(gè)線程所改變了；就會拋出ConcurrentModificationException異常苞尝，產(chǎn)生fail-fast事件畸肆。

fail-fast解決辦法

fail-fast機(jī)制，是一種錯(cuò)誤檢測機(jī)制宙址。它只能被用來檢測錯(cuò)誤轴脐，因?yàn)镴DK并不保證fail-fast機(jī)制一定會發(fā)生。若在多線程環(huán)境下使用fail-fast機(jī)制的集合抡砂，建議使用“java.util.concurrent包下的類”去取代“java.util包下的類”豁辉。所以，本例中只需要將ArrayList替換成java.util.concurrent包下對應(yīng)的類即可舀患。即，將代碼

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

替換為

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

則可以解決該辦法气破。

fail-fast原理

產(chǎn)生fail-fast事件聊浅，是通過拋出ConcurrentModificationException異常來觸發(fā)的。那么现使，ArrayList是如何拋出ConcurrentModificationException異常的呢?
我們知道低匙，ConcurrentModificationException是在操作Iterator時(shí)拋出的異常。我們先看看Iterator的源碼碳锈。ArrayList的Iterator是在父類AbstractList.java中實(shí)現(xiàn)的顽冶。代碼如下：

package java.util;

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

    ...

    // AbstractList中唯一的屬性
    // 用來記錄List修改的次數(shù)：每修改一次(添加/刪除等操作)，將modCount+1
    protected transient int modCount = 0;

    // 返回List對應(yīng)迭代器售碳。實(shí)際上强重，是返回Itr對象。
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

    // Itr是Iterator(迭代器)的實(shí)現(xiàn)類
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor = 0;

        int lastRet = -1;

        // 修改數(shù)的記錄值贸人。
        // 每次新建Itr()對象時(shí)间景，都會保存新建該對象時(shí)對應(yīng)的modCount；
        // 以后每次遍歷List中的元素的時(shí)候艺智，都會比較expectedModCount和modCount是否相等倘要；
        // 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常十拣，產(chǎn)生fail-fast事件封拧。
        int expectedModCount = modCount;

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

        public E next() {
            // 獲取下一個(gè)元素之前志鹃，都會判斷“新建Itr對象時(shí)保存的modCount”和“當(dāng)前的modCount”是否相等；
            // 若不相等泽西，則拋出ConcurrentModificationException異常曹铃，產(chǎn)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();
        }
    }

    ...
}

從中尝苇，我們可以發(fā)現(xiàn)在調(diào)用 next() 和 remove()時(shí)铛只，都會執(zhí)行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”糠溜，則拋出ConcurrentModificationException異常淳玩，產(chǎn)生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast機(jī)制非竿，我們就要需要理解什么時(shí)候“modCount 不等于
expectedModCount”蜕着！從Itr類中，我們知道 expectedModCount 在創(chuàng)建Itr對象時(shí)红柱，被賦值為 modCount承匣。通過Itr，我們知道：expectedModCount不可能被修改為不等于 modCount锤悄。所以韧骗，需要考證的就是modCount何時(shí)會被修改。
接下來零聚，我們查看ArrayList的源碼袍暴，來看看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中容量變化時(shí)隶症，對應(yīng)的同步函數(shù)
    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);
        }
    }


    // 添加元素到隊(duì)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;
    }
   

    // 刪除指定位置的元素 
    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;
    }


    // 快速刪除指定位置的元素 
    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;
    }

    ...
}

從中政模，我們發(fā)現(xiàn)：無論是add()、remove()蚂会，還是clear()淋样，只要涉及到修改集合中的元素個(gè)數(shù)時(shí)，都會改變modCount的值胁住。
接下來趁猴，我們再系統(tǒng)的梳理一下fail-fast是怎么產(chǎn)生的。步驟如下：
(01) 新建了一個(gè)ArrayList彪见，名稱為arrayList躲叼。
(02) 向arrayList中添加內(nèi)容。
(03) 新建一個(gè)“線程a”企巢，并在“線程a”中通過Iterator反復(fù)的讀取arrayList的值枫慷。(04) 新建一個(gè)“線程b”，在“線程b”中刪除arrayList中的一個(gè)“節(jié)點(diǎn)A”。
(05) 這時(shí)或听，就會產(chǎn)生有趣的事件了探孝。 在某一時(shí)刻，“線程a”創(chuàng)建了arrayList的Iterator誉裆。此時(shí)“節(jié)點(diǎn)A”仍然存在于arrayList中顿颅，創(chuàng)建arrayList時(shí)，expectedModCount = modCount(假設(shè)它們此時(shí)的值為N)足丢。
在“線程a”在遍歷arrayList過程中的某一時(shí)刻粱腻，“線程b”執(zhí)行了，并且“線程b”刪除了arrayList中的“節(jié)點(diǎn)A”斩跌∩苄“線程b”執(zhí)行remove()進(jìn)行刪除操作時(shí)，在remove()中執(zhí)行了“modCount++”耀鸦，此時(shí)modCount變成了N+1柬批！“線程a”接著遍歷，當(dāng)它執(zhí)行到next()函數(shù)時(shí)袖订，調(diào)用checkForComodification()比
較“expectedModCount”和“modCount”的大械省；
而“expectedModCount=N”洛姑，“modCount=N+1”,這樣上沐，便拋出
ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件楞艾。
至此参咙，我們就完全了解了fail-fast是如何產(chǎn)生的！即产徊，當(dāng)多個(gè)線程對同一個(gè)集合進(jìn)行操作的時(shí)候，某線程訪問集合的過程中蜀细，該集合的內(nèi)容被其他線程所改變(即其它線程通過add舟铜、remove、clear等方法奠衔，改變了modCount的值)谆刨；這時(shí)，就會拋出
ConcurrentModificationException異常归斤，產(chǎn)生fail-fast事件痊夭。

解決fail-fast的原理

上面，說明了“解決fail-fast機(jī)制的辦法”脏里，也知道了“fail-fast產(chǎn)生的根本原因”她我。接下來，我們再進(jìn)一步談?wù)刯ava.util.concurrent包中是如何解決fail-fast事件的。還是以和ArrayList對應(yīng)的CopyOnWriteArrayList進(jìn)行說明番舆。我們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼：

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 {

    ...

    // 返回集合對應(yīng)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時(shí)酝碳，將集合中的元素保存到一個(gè)新的拷貝數(shù)組中。
            // 這樣恨狈，當(dāng)原始集合的數(shù)據(jù)改變疏哗，拷貝數(shù)據(jù)中的值也不會變化。
            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();
        }
    }
    ...
}

從中禾怠，我們可以看出:
(01) 和ArrayList繼承于AbstractList不同返奉，CopyOnWriteArrayList沒有繼承于AbstractList，它僅僅只是實(shí)現(xiàn)了List接口吗氏。
(02) ArrayList的iterator()函數(shù)返回的Iterator是在AbstractList中實(shí)現(xiàn)的芽偏；而CopyOnWriteArrayList是自己實(shí)現(xiàn)Iterator。
(03) ArrayList的Iterator實(shí)現(xiàn)類中調(diào)用next()時(shí)牲证，會“調(diào)用checkForComodification()比較‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”哮针；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator實(shí)現(xiàn)類中坦袍，沒有所謂的checkForComodification()十厢，更不會拋出
ConcurrentModificationException異常！