摘要：概要前面，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了ArrayList。接下來(lái)，我們以ArrayList為例，對(duì)Iterator的fail-fast機(jī)制進(jìn)行了解。內(nèi)容包括：：1 fail-fast簡(jiǎn)介2 fail-fast示例3 fail-fast解決辦法4 fail-fast原理5 解決fail-fast的原理1 fail-fast簡(jiǎn)介fail-fast 機(jī)制是java集合(Collection)中的一種錯(cuò)誤機(jī)制。當(dāng)多個(gè)線
概要
前面，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了ArrayList。接下來(lái)，我們以ArrayList為例，對(duì)Iterator的fail-fast機(jī)制進(jìn)行了解。內(nèi)容包括：：
1 fail-fast簡(jiǎn)介
2 fail-fast示例
3 fail-fast解決辦法
4 fail-fast原理
5 解決fail-fast的原理
1 fail-fast簡(jiǎn)介
fail-fast 機(jī)制是java集合(Collection)中的一種錯(cuò)誤機(jī)制。當(dāng)多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)集合的內(nèi)容進(jìn)行操作時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生fail-fast事件。
例如：當(dāng)某一個(gè)線程A通過(guò)iterator去遍歷某集合的過(guò)程中，若該集合的內(nèi)容被其他線程所改變了；那么線程A訪問(wèn)集合時(shí)，就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
在詳細(xì)介紹fail-fast機(jī)制的原理之前，先通過(guò)一個(gè)示例來(lái)認(rèn)識(shí)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(cè)試程序。
*
* fast-fail事件產(chǎn)生的條件：當(dāng)多個(gè)線程對(duì)Collection進(jìn)行操作時(shí)，若其中某一個(gè)線程通過(guò)iterator去遍歷集合時(shí)，該集合的內(nèi)容被其他線程所改變；則會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常。
* fast-fail解決辦法：通過(guò)util.concurrent集合包下的相應(yīng)類去處理，則不會(huì)產(chǎn)生fast-fail事件。
*
* 本例中，分別測(cè)試ArrayList和CopyOnWriteArrayList這兩種情況。ArrayList會(huì)產(chǎn)生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不會(huì)產(chǎn)生fast-fail事件。
* (01) 使用ArrayList時(shí)，會(huì)產(chǎn)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(shí)CopyOnWriteArrayList，不會(huì)產(chǎn)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(shí)啟動(dòng)兩個(gè)線程對(duì)list進(jìn)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(gè)數(shù)之后，就通過(guò)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，每添加一個(gè)數(shù)之后，就通過(guò)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，拋出異常java.util.ConcurrentModificationException！即，產(chǎn)生fail-fast事件！
結(jié)果說(shuō)明：
(01) FastFailTest中通過(guò) new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)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(gè)數(shù)之后，就通過(guò)printAll()遍歷整個(gè)list。
ThreadTwo線程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一個(gè)數(shù)之后，就通過(guò)printAll()遍歷整個(gè)list。
(02) 當(dāng)某一個(gè)線程遍歷list的過(guò)程中，list的內(nèi)容被另外一個(gè)線程所改變了；就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
3 fail-fast解決辦法
fail-fast機(jī)制，是一種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。它只能被用來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤，因?yàn)镴DK并不保證fail-fast機(jī)制一定會(huì)發(fā)生。若在多線程環(huán)境下使用fail-fast機(jī)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(duì)應(yīng)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(chǎn)生fail-fast事件，是通過(guò)拋出ConcurrentModificationException異常來(lái)觸發(fā)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(shí)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(shí)現(xiàn)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(lái)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(duì)應(yīng)迭代器。實(shí)際上，是返回Itr對(duì)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。
// 每次新建Itr()對(duì)象時(shí)，都會(huì)保存新建該對(duì)象時(shí)對(duì)應(yīng)的modCount；
// 以后每次遍歷List中的元素的時(shí)候，都會(huì)比較expectedModCount和modCount是否相等；
// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
// 獲取下一個(gè)元素之前，都會(huì)判斷“新建Itr對(duì)象時(shí)保存的modCount”和“當(dāng)前的modCount”是否相等；
// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，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，我們可以發(fā)現(xiàn)在調(diào)用 next() 和 remove()時(shí)，都會(huì)執(zhí)行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”，則拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast機(jī)制，我們就要需要理解什么時(shí)候“modCount 不等于 expectedModCount”！
從Itr類中，我們知道 expectedModCount 在創(chuàng)建Itr對(duì)象時(shí)，被賦值為 modCount。通過(guò)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(shí)會(huì)被修改。
接下來(lái)，我們查看ArrayList的源碼，來(lái)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)，對(duì)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，我們發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是add()、remove()，還是clear()，只要涉及到修改集合中的元素個(gè)數(shù)時(shí)，都會(huì)改變modCount的值。
接下來(lái)，我們?cè)傧到y(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，名稱為arrayList。
(02) 向arrayList中添加內(nèi)容。
(03) 新建一個(gè)“線程a”，并在“線程a”中通過(guò)Iterator反復(fù)的讀取arrayList的值。
(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)，就會(huì)產(chǎn)生有趣的事件了。
在某一時(shí)刻，“線程a”創(chuàng)建了arrayList的Iterator。此時(shí)“節(jié)點(diǎn)A”仍然存在于arrayList中，創(chuàng)建arrayList時(shí)，expectedModCount = modCount(假設(shè)它們此時(shí)的值為N)。
在“線程a”在遍歷arrayList過(guò)程中的某一時(shí)刻，“線程b”執(zhí)行了，并且“線程b”刪除了arrayList中的“節(jié)點(diǎn)A”。“線程b”執(zhí)行remove()進(jìn)行刪除操作時(shí)，在remove()中執(zhí)行了“modCount++”，此時(shí)modCount變成了N+1！
“線程a”接著遍歷，當(dāng)它執(zhí)行到next()函數(shù)時(shí)，調(diào)用checkForComodification()比較“expectedModCount”和“modCount”的大??；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,這樣，便拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
至此，我們就完全了解了fail-fast是如何產(chǎn)生的！
即，當(dāng)多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)集合進(jìn)行操作的時(shí)候，某線程訪問(wèn)集合的過(guò)程中，該集合的內(nèi)容被其他線程所改變(即其它線程通過(guò)add、remove、clear等方法，改變了modCount的值)；這時(shí)，就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
5 解決fail-fast的原理
上面，說(shuō)明了“解決fail-fast機(jī)制的辦法”，也知道了“fail-fast產(chǎn)生的根本原因”。接下來(lái)，我們?cè)龠M(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(duì)應(yīng)的CopyOnWriteArrayList進(jìn)行說(shuō)明。我們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼：
從中，我們可以看出:
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(duì)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)，將集合中的元素保存到一個(gè)新的拷貝數(shù)組中。
// 這樣，當(dāng)原始集合的數(shù)據(jù)改變，拷貝數(shù)據(jù)中的值也不會(huì)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();
}
}
...
}(01) 和ArrayList繼承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList沒有繼承于AbstractList，它僅僅只是實(shí)現(xiàn)了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函數(shù)返回的Iterator是在AbstractList中實(shí)現(xiàn)的；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)，會(huì)“調(diào)用checkForComodification()比較‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator實(shí)現(xiàn)類中，沒有所謂的checkForComodification()，更不會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常！