摘要：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)生事件。當(dāng)某一個(gè)線程遍歷的過程中，的內(nèi)容被另外一個(gè)線程所改變了就會(huì)拋出異常，產(chǎn)生事件。在線程在遍歷過程中的某一時(shí)刻，線程執(zhí)行了，并且線程刪除了中的節(jié)點(diǎn)。

前面，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了ArrayList。接下來，我們以ArrayList為例，對(duì)Iterator的fail-fast機(jī)制進(jìn)行了解。

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iterator去遍歷某集合的過程中，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，先通過一個(gè)示例來認(rèn)識(shí)fail-fast。

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 list = new ArrayList();
 *   (02) 使用時(shí)CopyOnWriteArrayList，不會(huì)產(chǎn)生fast-fail事件；定義如下：
 *            private static List list = new CopyOnWriteArrayList();
 *
 * @author skywang
 */
public class FastFailTest {

    private static List list = new ArrayList();
    //private static List list = new CopyOnWriteArrayList();
    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)果說明：

(01) FastFailTest中通過 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printAll()遍歷整個(gè)list。

(02) 當(dāng)某一個(gè)線程遍歷list的過程中，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。

fail-fast機(jī)制，是一種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。它只能被用來檢測(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 list = new ArrayList();

替換為

private static List list = new CopyOnWriteArrayList();

則可以解決該辦法。

產(chǎn)生fail-fast事件，是通過拋出ConcurrentModificationException異常來觸發(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 extends AbstractCollection implements List {

    ...

    // AbstractList中唯一的屬性
    // 用來記錄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 iterator() {
        return new Itr();
    }

    // Itr是Iterator(迭代器)的實(shí)現(xiàn)類
    private class Itr implements Iterator {
        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，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 extends AbstractList
        implements List, 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 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，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”?！熬€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，某線程訪問集合的過程中，該集合的內(nèi)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(shí)，就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。

上面，說明了“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，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
    implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    ...

    // 返回集合對(duì)應(yīng)的迭代器
    public Iterator iterator() {
        return new COWIterator(getArray(), 0);
    }

    ...
   
    private static class COWIterator implements ListIterator {
        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();
        }
    }
  
    ...

}

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(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！

文章有不當(dāng)之處，歡迎指正，你也可以關(guān)注我的微信公眾號(hào)：好好學(xué)java，獲取優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，也可以加入QQ技術(shù)交流群：766946816，咋們來聊聊java。