java fail-fast机制详解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) - 跨到对岸去

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我是靠谱客的博主过时啤酒，最近开发中收集的这篇文章主要介绍java fail-fast机制详解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) - 跨到对岸去，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

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) - 跨到对岸去

时间 2013-09-16 09:12:00 博客园-原创精华区原文 http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308762.html

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。

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 )

 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！

转载自：http://www.tuicool.com/articles/umueQf