1、 fail-fast简介
概念:
在使用迭代器对集合对象进行遍历的时候,如果 A 线程正在对集合进行遍历,此时 B 线程对集合进行修改(增加、删除、修改),或者 A 线程在遍历过程中对集合进行修改,都会导致 A 线程抛出 ConcurrentModificationException 异常。
快速失败相对于安全失败:
安全失败概念:采用安全失败机制的集合容器,在遍历时不是直接在集合内容上访问的,而是先复制原有集合内容,在拷贝的集合上进行遍历。
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。
对于ArrayList出现快速失败的前提是使用了iterator进行遍历。
2、 fail-fast示例
1、单线程,在iterator遍历的同时,插入新的参数。会导致快速失败
package collectionFoudation.arrayList;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* Created by zongx on 2019/11/26.
*/
public class FastFailDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
list.add(i);
}
for (Integer integer : list) {
list.add(integer);
System.out.println(integer);
}
}
}
结果:
2、单线程,使用randomaccess遍历List,即使在边读边写也不会出现快速失败
package collectionFoudation.arrayList;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* Created by zongx on 2019/11/26.
*/
public class FastFailDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
list.add(i);
}
for(int i =0 ; i< list.size(); i++) {
list.add(i);
System.out.println(i);
}
}
}
3、多线程,在一个线程读时,另一个线程写入list,读线程会快速失败
package collectionFoudation.arrayList;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* Created by zongx on 2019/11/26.
*/
public class FastFailDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
list.add(i);
}
new MyThread1(list).start();
new MyThread2(list).start();
}
}
class MyThread1 extends Thread {
private List<Integer> list;
public MyThread1( List<Integer> list) {
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
for (Integer integer : list) {
System.out.println("MyThread1" + list.size());
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class MyThread2 extends Thread {
private List<Integer> list;
public MyThread2( List<Integer> list) {
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
list.add(i);
System.out.println("MyThread2 " + list.size());
}
}
}
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
List<Integer> list = new ArrayList<>();
替换为
List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
则可以解决该办法。
CopyOnWriteArrayList与ArrayList不同:
(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!
package collectionFoudation.arrayList;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
/**
* Created by zongx on 2019/11/26.
*/
public class FastFailDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
list.add(i);
}
new MyThread1(list).start();
new MyThread2(list).start();
}
}
class MyThread1 extends Thread {
private List<Integer> list;
public MyThread1( List<Integer> list) {
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
for (Integer integer : list) {
System.out.println("MyThread1 大小:" + list.size() + " 当前值:" + integer);
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class MyThread2 extends Thread {
private List<Integer> list;
public MyThread2( List<Integer> list) {
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 5; i < 10; i++) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
list.add(i);
System.out.println("MyThread2 大小:" + list.size());
}
}
}
结果:
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
package java.util;
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
...
// AbstractList中唯一的属性
// 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
protected transient int modCount = 0;
// 返回List对应迭代器。实际上,是返回Itr对象。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
// Itr是Iterator(迭代器)的实现类
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor = 0;
int lastRet = -1;
// 修改数的记录值。
// 每次新建Itr()对象时,都会保存新建该对象时对应的modCount;
// 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;
// 若不相等,则抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
// 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;
// 若不相等,则抛出ConcurrentModificationException异常,产生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();
}
}
...
}
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。
package java.util;
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
...
// list中容量变化时,对应的同步函数
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);
}
}
// 添加元素到队列最后
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;
}
// 删除指定位置的元素
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;
}
// 快速删除指定位置的元素
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;
}
...
}
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。