java fail fast_java中的fail-fast(快速失败)机制

java中的fail-fast(快速失败)机制

简介

fail-fast机制，即快速失败机制，是java集合中的一种错误检测机制。当在迭代集合的过程中对该集合的结构改变是，就有可能会发生fail-fast，即跑出ConcurrentModificationException异常。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定抛出异常，它只是近最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测bug

fail-fast的出现场景

在我们常见的java集合中就可能出现fail-fast机制，比如常见的ArrayList,HashMap.在多线程和单线程环境下都有可能出现快速失败。

1.单线程环境下的fail-fast例子：

public static voidmain(String[] args) {

List list = new ArrayList<>();for (int i = 0 ; i < 10 ; i++) {

list.add(i+ "");

}

Iterator iterator =list.iterator();int i = 0;while(iterator.hasNext()) {if (i == 3) {

list.remove(3);

}

System.out.println(iterator.next());

i++;

}

}

控制台打印：

Exception in thread "main"java.util.ConcurrentModificationException

at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)

at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)

at com.example.springboot_demo.fail_fast_safe.ArrayListFailFast.main(ArrayListFailFast.java:24)

该段代码定义了一个Arraylist集合，并使用迭代器遍历，在遍历过程中，刻意在某一步迭代中remove一个元素，这个时候，就会发生fail-fast

2.多线程环境下

public classArrayListFailFastThreadPool {public static List list = new ArrayList<>();

​private static class MyThread1 extendsThread {

@Overridepublic voidrun() {

Iterator iterator =list.iterator();while(iterator.hasNext()) {

String s=iterator.next();

System.out.println(this.getName() + ":" +s);try{

Thread.sleep(1000);

}catch(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}super.run();

}

}

​private static class MyThread2 extendsThread {int i = 0;

@Overridepublic voidrun() {while (i < 10) {

System.out.println("thread2:" +i);if (i == 2) {

list.remove(i);

}try{

Thread.sleep(1000);

}catch(InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

i++;

}

}

}

​public static voidmain(String[] args) {for(int i = 0 ; i < 10;i++){

list.add(i+"");

}

MyThread1 thread1= newMyThread1();

MyThread2 thread2= newMyThread2();

thread1.setName("thread1");

thread2.setName("thread2");

thread1.start();

thread2.start();

}

​

}

控制台打印：

Exception in thread "thread1"java.util.ConcurrentModificationException

thread2:3at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)

at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)

at com.example.springboot_demo.fail_fast_safe.ArrayListFailFastThreadPool$MyThread1.run(ArrayListFailFastThreadPool.java:20)

启动两个线程，分别对其中一个对list进行迭代，另一个在线程1的迭代过程中去remove一个元素，结果也是抛出了java.util.ConcurrentModificationException

Fail-fast原理

fail-fast是如何抛出ConcurrentModificationException异常的，又是在什么情况下才会抛出？

我们知道，对于集合入list，map类，我们都是可以通过迭代器来遍历，而Iterator其实只是一个接口，具体的实现还是具体的集合类的内部类实现Iterator并实现相关方法。这里我们就以ArrayList类为例。在ArrayList中，当调用list.iterator()时，其源码是：

public Iteratoriterator() {return newItr();

}private class Itr implements Iterator{int cursor; //index of next element to return

int lastRet = -1; //index of last element returned; -1 if no such

int expectedModCount =modCount;

​public booleanhasNext() {return cursor !=size;

}

​

@SuppressWarnings("unchecked")publicE next() {

checkForComodification();int i =cursor;if (i >=size)throw newNoSuchElementException();

Object[] elementData= ArrayList.this.elementData;if (i >=elementData.length)throw newConcurrentModificationException();

cursor= i + 1;return (E) elementData[lastRet =i];

}

​public voidremove() {if (lastRet < 0)throw newIllegalStateException();

checkForComodification();

​try{

ArrayList.this.remove(lastRet);

cursor=lastRet;

lastRet= -1;

expectedModCount=modCount;

}catch(IndexOutOfBoundsException ex) {throw newConcurrentModificationException();

}

}

​

@Override

@SuppressWarnings("unchecked")public void forEachRemaining(Consumer super E>consumer) {

Objects.requireNonNull(consumer);final int size = ArrayList.this.size;int i =cursor;if (i >=size) {return;

}final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;if (i >=elementData.length) {throw newConcurrentModificationException();

}while (i != size && modCount ==expectedModCount) {

consumer.accept((E) elementData[i++]);

}//update once at end of iteration to reduce heap write traffic

cursor =i;

lastRet= i - 1;

checkForComodification();

}//这段代码是关键

final voidcheckForComodification() {if (modCount !=expectedModCount)throw newConcurrentModificationException();

}

}

​

可以看出，该方法才是判断是否抛出ConcurrentModificationException异常的关键。在该段代码中，当modCount != expectedModCount时，就会抛出该异常。很明显expectedModCount在整个迭代过程除了一开始赋予初始值modCount外，并没有再发生改变，所以可能发生改变的就只有modCount.

在前面关于ArrayList扩容机制的分析中，可以知道在ArrayList进行add,remove,clear等涉及到修改集合中的元素个数的操作时，modCount就会发生改变(modCount++)所以当另一个线程(并发修改)或者同一个线程遍历过程中，调用相关方法使集合的个数发生改变，就会使modCount发生变化，这样在checkForComodification方法中就会抛出ConcurrentModificationException异常。

类似的，hashMap中发生的原理也是一样的。

避免fail-fast

方法1

在单线程的遍历过程中，如果要进行remove操作，可以调用迭代器的remove方法而不是集合类的remove方法

public static voidmain(String[] args) {

List list = new ArrayList<>();for (int i = 0 ; i < 10 ; i++) {

list.add(i+ "");

}

Iterator iterator =list.iterator();int i = 0;while(iterator.hasNext()) {if (i == 3) {

iterator.remove();//迭代器的remove()方法

}

System.out.println(iterator.next());

i++;

}

}

方法2

使用java并发包(java.util.concurrent)中的类来代替ArrayList 和hashMap。

CopyOnWriterArrayList代替ArrayList，CopyOnWriterArrayList在是使用上跟ArrayList几乎一样，CopyOnWriter是写时复制的容器(COW)，在读写时是线程安全的。该容器在对add和remove等操作时，并不是在原数组上进行修改，而是将原数组拷贝一份，在新数组上进行修改，待完成后，才将指向旧数组的引用指向新数组，所以对于CopyOnWriterArrayList在迭代过程并不会发生fail-fast现象。但 CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。

对于HashMap，可以使用ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap采用了锁机制，是线程安全的。在迭代方面，ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 ，iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变。即迭代不会发生fail-fast，但不保证获取的是最新的数据。