fail-fast總結(通過ArrayList來說明fail-fast的原理、解決辦法)
前面，我們已經學習了ArrayList。接下來，我們以ArrayList為例，對Iterator的fail-fast機制進行了解。
1 fail-fast簡介
fail-fast 機制是java集合(Collection)中的一種錯誤機制。當多個線程對同一個集合的內容進行操作時，就可能會產生fail-fast事件。
例如：當某一個線程A通過iterator去遍歷某集合的過程中，若該集合的內容被其他線程所改變了；那麼線程A訪問集合時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
在詳細介紹fail-fast機制的原理之前，先通過一個示例來認識fail-fast。
2 fail-fast示例
示例代碼：(FastFailTest.java)
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，每添加一個數之後，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，每添加一個數之後，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。每添加一個數之後，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。每添加一個數之後，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並不保證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。
那麼，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;
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；
// 以後每次遍歷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 不等於 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麼時候“modCount 不等於 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於 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。
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);
}
}
// 添加元素到隊列最後
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;
}
...
}
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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是怎麼產生的。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”，並在“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”仍然存在於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，並且“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：
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 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繼承於AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList沒有繼承於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！
