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fail-fast(快速失败)机制的原理解析及解决方法

后端 java stackoverflow 2019/04/12

本文于1922天之前发表，文中内容可能已经过时。

简介

fail-fast 机制，即快速失败机制，是java集合(Collection)中的一种错误检测机制。当在迭代集合的过程中该集合在结构上发生改变的时候，就有可能会发生fail-fast，即抛出ConcurrentModificationException异常。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定会抛出异常，它只是尽最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测bug。

fail-fast的出现场景

在我们常见的java集合中就可能出现fail-fast机制,比如ArrayList，HashMap。在多线程和单线程环境下都有可能出现快速失败。

1. 单线程环境下的fail-fast：

ArrayList发生fail-fast例子：

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public static void main(String[] args) {
      List<String> list = new ArrayList<>();
      for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
           list.add(i + "");
      }
      Iterator<String> iterator = list.iterator();
      int i = 0 ;
      while(iterator.hasNext()) {
           if (i == 3) {
                list.remove(3);
           }
           System.out.println(iterator.next());
           i ++;
      }
}

该段代码定义了一个Arraylist集合，并使用迭代器遍历，在遍历过程中，刻意在某一步迭代中remove一个元素，这个时候，就会发生fail-fast。
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HashMap发生fail-fast：

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public static void main(String[] args) {
      Map<String, String> map = new HashMap<>();
      for (int i = 0 ; i < 10 ; i ++ ) {
           map.put(i+"", i+"");
      }
      Iterator<Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
      int i = 0;
      while (it.hasNext()) {
           if (i == 3) {
                map.remove(3+"");
           }
           Entry<String, String> entry = it.next();
           System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
           i++;
   }
}

该段代码定义了一个hashmap对象并存放了10个键值对，在迭代遍历过程中，使用map的remove方法移除了一个元素，导致抛出了ConcurrentModificationException异常：
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2. 多线程环境下：

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public class FailFastTest {
     public static List<String> list = new ArrayList<>();

     private static class MyThread1 extends Thread {
           @Override
           public void run() {
                Iterator<String> iterator = list.iterator();
                while(iterator.hasNext()) {
                     String s = iterator.next();
                     System.out.println(this.getName() + ":" + s);
                     try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                }
                super.run();
           }
     }
     
     private static class MyThread2 extends Thread {
           int i = 0;
           @Override
           public void run() {
                while (i < 10) {
                     System.out.println("thread2:" + i);
                     if (i == 2) {
                           list.remove(i);
                     }
                     try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                     i ++;
                }
           }
     }
     
     public static void main(String[] args) {
           for(int i = 0 ; i < 10;i++){
            list.add(i+"");
        }
           MyThread1 thread1 = new MyThread1();
           MyThread2 thread2 = new MyThread2();
           thread1.setName("thread1");
           thread2.setName("thread2");
           thread1.start();
           thread2.start();
     }
}

启动两个线程，分别对其中一个对list进行迭代，另一个在线程1的迭代过程中去remove一个元素，结果也是抛出了java.util.ConcurrentModificationException
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fail-fast的原理

fail-fast是如何抛出ConcurrentModificationException异常的，又是在什么情况下才会抛出?
我们知道，对于集合如list，map类，我们都可以通过迭代器来遍历，而Iterator其实只是一个接口，具体的实现还是要看具体的集合类中的内部类去实现Iterator并实现相关方法。这里我们就以ArrayList类为例。在ArrayList中，当调用list.iterator()时，其源码是：

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public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

即它会返回一个新的Itr类，而Itr类是ArrayList的内部类，实现了Iterator接口，下面是该类的源码：

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 /**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }
 
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        checkForComodification();
        int i = cursor;
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }
 
    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();
 
        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
 
    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
        Objects.requireNonNull(consumer);
        final int size = ArrayList.this.size;
        int i = cursor;
        if (i >= size) {
            return;
        }
        final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        while (i != size && modCount == expectedModCount) {
            consumer.accept((E) elementData[i++]);
        }
        // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
        cursor = i;
        lastRet = i - 1;
        checkForComodification();
    }
 
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

其中，有三个属性：

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int cursor;       // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;

cursor是指集合遍历过程中的即将遍历的元素的索引，lastRet是cursor -1，默认为-1，即不存在上一个时，为-1，它主要用于记录刚刚遍历过的元素的索引。expectedModCount这个就是fail-fast判断的关键变量了，它初始值就为ArrayList中的modCount。（modCount是抽象类AbstractList中的变量，默认为0，而ArrayList 继承了AbstractList ，所以也有这个变量，modCount用于记录集合操作过程中作的修改次数，与size还是有区别的，并不一定等于size）
我们一步一步来看：

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public boolean hasNext() {
    return cursor != size;
}

迭代器迭代结束的标志就是hasNext()返回false，而该方法就是用cursor游标和size(集合中的元素数目)进行对比，当cursor等于size时，表示已经遍历完成。
接下来看看最关心的next()方法，看看为什么在迭代过程中，如果有线程对集合结构做出改变，就会发生fail-fast：

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@SuppressWarnings("unchecked")
 public E next() {
     checkForComodification();
     int i = cursor;
     if (i >= size)
         throw new NoSuchElementException();
     Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
     if (i >= elementData.length)
         throw new ConcurrentModificationException();
     cursor = i + 1;
     return (E) elementData[lastRet = i];
 }

从源码知道，每次调用next()方法，在实际访问元素前，都会调用checkForComodification方法，该方法源码如下：

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final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

可以看出，该方法才是判断是否抛出ConcurrentModificationException异常的关键。在该段代码中，当modCount != expectedModCount
时，就会抛出该异常。但是在一开始的时候，expectedModCount初始值默认等于modCount，为什么会出现modCount != expectedModCount，很明显expectedModCount在整个迭代过程除了一开始赋予初始值modCount外，并没有再发生改变，所以可能发生改变的就只有modCount，在前面关于ArrayList扩容机制的分析中，可以知道在ArrayList进行add，remove，clear等涉及到修改集合中的元素个数的操作时，modCount就会发生改变(modCount ++),所以当另一个线程(并发修改)或者同一个线程遍历过程中，调用相关方法使集合的个数发生改变，就会使modCount发生变化，这样在checkForComodification方法中就会抛出ConcurrentModificationException异常。
类似的，hashMap中发生的原理也是一样的。

避免fail-fast

了解了fail-fast机制的产生原理，接下来就看看如何解决fail-fast

方法1

在单线程的遍历过程中，如果要进行remove操作，可以调用迭代器的remove方法而不是集合类的remove方法。看看ArrayList中迭代器的remove方法的源码：

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public void remove() {
    if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
    checkForComodification();

    try {
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        cursor = lastRet;
        lastRet = -1;
        expectedModCount = modCount;
    } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

可以看到，该remove方法并不会修改modCount的值，并且不会对后面的遍历造成影响，因为该方法remove不能指定元素，只能remove当前遍历过的那个元素，所以调用该方法并不会发生fail-fast现象。该方法有局限性。
例子：

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public static void main(String[] args) {
      List<String> list = new ArrayList<>();
      for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
           list.add(i + "");
      }
      Iterator<String> iterator = list.iterator();
      int i = 0 ;
      while(iterator.hasNext()) {
           if (i == 3) {
                iterator.remove(); //迭代器的remove()方法
           }
           System.out.println(iterator.next());
           i ++;
      }
}

方法2

使用java并发包(java.util.concurrent)中的类来代替ArrayList 和hashMap。
比如使用 CopyOnWriterArrayList代替ArrayList，CopyOnWriterArrayList在是使用上跟ArrayList几乎一样，CopyOnWriter是写时复制的容器(COW)，在读写时是线程安全的。该容器在对add和remove等操作时，并不是在原数组上进行修改，而是将原数组拷贝一份，在新数组上进行修改，待完成后，才将指向旧数组的引用指向新数组，所以对于CopyOnWriterArrayList在迭代过程并不会发生fail-fast现象。但 CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。
对于HashMap，可以使用ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap采用了锁机制，是线程安全的。在迭代方面，ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 ，iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变。即迭代不会发生fail-fast，但不保证获取的是最新的数据。

参考链接：
http://www.jb51.net/article/84468.htm
http://www.cnblogs.com/ccgjava/p/6347425.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral

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