1. fail-fast簡介
“快速失敗”也就是fail-fast，它是Java集合的一種錯誤檢測機制。某個線程在對collection進行迭代時，不允許其他線程對該collection進行結構上的修改。
例如：假設存在兩個線程（線程1、線程2），線程1通過Iterator在遍歷集合A中的元素，在某個時候線程2修改了集合A的結構（是結構上面的修改，而不是簡單的修改集合元素的內容），那么這個時候程序就會拋出 ConcurrentModificationException 異常，從而產生fail-fast。
迭代器的快速失敗行為無法得到保證，它不能保證一定會出現該錯誤，因此，ConcurrentModificationException應該僅用于檢測 bug。
Java.util包中的所有集合類都是快速失敗的，而java.util.concurrent包中的集合類都是安全失敗的；
快速失敗的迭代器拋出ConcurrentModificationException，而安全失敗的迭代器從不拋出這個異常。
2 fail-fast示例
示例代碼：(FastFailTest.java)
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import java.util.*;import java.util.concurrent.*;/* * @desc java集合中Fast-Fail的測試程序。 * * fast-fail事件產生的條件：當多個線程對Collection進行操作時，若其中某一個線程通過iterator去遍歷集合時，該集合的內容被其他線程所改變；則會拋出ConcurrentModificationException異常。 * fast-fail解決辦法：通過util.concurrent集合包下的相應類去處理，則不會產生fast-fail事件。 * * 本例中，分別測試ArrayList和CopyOnWriteArrayList這兩種情況。ArrayList會產生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不會產生fast-fail事件。 * (01) 使用ArrayList時，會產生fast-fail事件，拋出ConcurrentModificationException異常；定義如下： * private static List<String> list = new ArrayList<String>(); * (02) 使用時CopyOnWriteArrayList，不會產生fast-fail事件；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) { // 同時啟動兩個線程對list進行操作！ 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，每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個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，每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list */ private static class ThreadTwo extends Thread { public void run() { int i = 10; while (i<16) { list.add(String.valueOf(i)); printAll(); i++; } } }} |
運行結果
運行該代碼，拋出異常java.util.ConcurrentModificationException！即，產生fail-fast事件！
結果說明
(01) FastFailTest中通過 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同時啟動兩個線程去操作list。
ThreadOne線程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list。
ThreadTwo線程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一個數之后，就通過printAll()遍歷整個list。
(02) 當某一個線程遍歷list的過程中，list的內容被另外一個線程所改變了；就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
3. fail-fast解決辦法
fail-fast機制，是一種錯誤檢測機制。它只能被用來檢測錯誤，因為JDK并不保證fail-fast機制一定會發生。若在多線程環境下使用fail-fast機制的集合，建議使用“java.util.concurrent包下的類”去取代“java.util包下的類”。
所以，本例中只需要將ArrayList替換成java.util.concurrent包下對應的類即可。 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。
4. fail-fast原理
產生fail-fast事件，是通過拋出ConcurrentModificationException異常來觸發的。
那么，ArrayList是如何拋出ConcurrentModificationException異常的呢?
我們知道，ConcurrentModificationException是在操作Iterator時拋出的異常。我們先看看Iterator的源碼。ArrayList的Iterator是在父類AbstractList.java中實現的。代碼如下：
package java.util;
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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：每修改一次(添加/刪除等操作)，將modCount+1 protected transient int modCount = 0; // 返回List對應迭代器。實際上，是返回Itr對象。 public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); } // Itr是Iterator(迭代器)的實現類 private class Itr implements Iterator<E> { int cursor = 0; int lastRet = -1; // 修改數的記錄值。 // 每次新建Itr()對象時，都會保存新建該對象時對應的modCount； // 以后每次遍歷List中的元素的時候，都會比較expectedModCount和modCount是否相等； // 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。 int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size(); } public E next() { // 獲取下一個元素之前，都會判斷“新建Itr對象時保存的modCount”和“當前的modCount”是否相等； // 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生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，我們可以發現在調用 next() 和 remove()時，都會執行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast機制，我們就要需要理解什么時候“modCount 不等于 expectedModCount”！
從Itr類中，我們知道 expectedModCount 在創建Itr對象時，被賦值為 modCount。通過Itr，我們知道：expectedModCount不可能被修改為不等于 modCount。所以，需要考證的就是modCount何時會被修改。
接下來，我們查看ArrayList的源碼，來看看modCount是如何被修改的。
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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，對應的同步函數 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，我們發現：無論是add()、remove()，還是clear()，只要涉及到修改集合中的元素個數時，都會改變modCount的值。
接下來，我們再系統的梳理一下fail-fast是怎么產生的。步驟如下：
(01) 新建了一個ArrayList，名稱為arrayList。
(02) 向arrayList中添加內容。
(03) 新建一個“線程a”，并在“線程a”中通過Iterator反復的讀取arrayList的值。
(04) 新建一個“線程b”，在“線程b”中刪除arrayList中的一個“節點A”。
(05) 這時，就會產生有趣的事件了。
在某一時刻，“線程a”創建了arrayList的Iterator。此時“節點A”仍然存在于arrayList中，創建arrayList時，expectedModCount = modCount(假設它們此時的值為N)。
在“線程a”在遍歷arrayList過程中的某一時刻，“線程b”執行了，并且“線程b”刪除了arrayList中的“節點A”。“線程b”執行remove()進行刪除操作時，在remove()中執行了“modCount++”，此時modCount變成了N+1！
“線程a”接著遍歷，當它執行到next()函數時，調用checkForComodification()比較“expectedModCount”和“modCount”的大小；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,這樣，便拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
至此，我們就完全了解了fail-fast是如何產生的！
即，當多個線程對同一個集合進行操作的時候，某線程訪問集合的過程中，該集合的內容被其他線程所改變(即其它線程通過add、remove、clear等方法，改變了modCount的值)；這時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
5. 解決fail-fast的原理
上面，說明了“解決fail-fast機制的辦法”，也知道了“fail-fast產生的根本原因”。接下來，我們再進一步談談java.util.concurrent包中是如何解決fail-fast事件的。
還是以和ArrayList對應的CopyOnWriteArrayList進行說明。我們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼：
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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 { ... // 返回集合對應的迭代器 public Iterator<E> iterator() { return new集合類中的fast-fail實現方式都差不多，我們以最簡單的ArrayList為例吧。protected transient int modCount = 0;記錄的是我們對ArrayList修改的次數，比如我們調用 add(),remove()等改變數據的操作時，會將modCount++。protected transient int modCount = 0;記錄的是我們對ArrayList修改的次數，比如我們調用 add(),remove()等改變數據的操作時，會將modCount++。 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，將集合中的元素保存到一個新的拷貝數組中。 // 這樣，當原始集合的數據改變，拷貝數據中的值也不會變化。 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，我們可以看出:
(01) 和ArrayList繼承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList沒有繼承于AbstractList，它僅僅只是實現了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函數返回的Iterator是在AbstractList中實現的；而CopyOnWriteArrayList是自己實現Iterator。
(03) ArrayList的Iterator實現類中調用next()時，會“調用checkForComodification()比較‘expectedModCount'和‘modCount'的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator實現類中，沒有所謂的checkForComodification()，更不會拋出ConcurrentModificationException異常！
6. 總結
由于HashMap（ArrayList）并不是線程安全的,因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了map(這里的修改是指結構上的修改,并非指單純修改集合內容的元素)，那么將要拋出ConcurrentModificationException 即為fail-fast策略
主要通過modCount域來實現,保證線程之間的可見性,modCount即為修改次數,對于HashMap（ArrayList）內容的修改就會增加這個值， 那么在迭代器的初始化過程中就會將這個值賦值給迭代器的expectedModCount
但是fail-fast行為并不能保證,因此依賴于此異常的程序的做法是錯誤的
