Java集合框架中的快速失败(fail—fast)机制

Java框架

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2019-8-18

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  fail-fast机制,即快速失败机制,是java集合框架中的一种错误检测机制。多线程下用迭代器遍历一个集合对象时,如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改(增加、删除),则会抛出Concurrent Modification Exception。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定会抛出异常,这种机制一般仅用于检测bug。

那么在实际测试代码当中是如何表现的呢?

先说结论:在用for遍历一个集合对象时,如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改(增加、删除),则会抛出ConcurrentModificationException。在单线程下用迭代器遍历修改,则不会报错。在多线程环境下则会报错。

  原理:迭代器在遍历时直接访问集合中的内容,并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化,就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前,都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值,是的话就返回遍历;否则抛出异常,终止遍历。
  这里异常的抛出条件是检测到 modCount!=expectedmodCount这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值,则异常不会抛出。因此,不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程,这个异常只建议用于检测并发修改的bug。

我们来检测单线程下用增强for循环来更新数据会不会报错:

import java.util.*;
public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for(int i=0;i<10;i++) {
        list.add(i);
    }
    for(int n:list){
        if(n==6){
            list.set(n, 16);
        }
    }
    System.out.println(list.toString());
}

输出是[0, 1, 2, 3, 4, 5, 16, 7, 8, 9]

那如果在遍历中删除参数呢?

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for(int i=0;i<10;i++) {
        list.add(i);
    }
    for(int n:list){
        if(n==6){
            list.remove(n);
        }
    }
    System.out.println(list.toString());
}
->Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException

这是为什么呢?让我们来看看set的源码:

public E set(int index, E element) {
   rangeCheck(index);

   E oldValue = elementData(index);
   elementData[index] = element;
   return oldValue;
}

我们发现,进行set操作的时候,modCount并没有自增,所以不会报错。

那如果用迭代器进行遍历remove呢?

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for(int i=0;i<10;i++) {
        list.add(i);
    }
    Iterator<Integer> it = list.iterator();
    while (it.hasNext()) {
        if (it.next() == 6) {
            it.remove();
        }
    }
    System.out.println(list.toString());
}
->[0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9]

这是因为:

  • 迭代器是作为当前集合的内部类实现的,当迭代器创建的时候保持了当前集合的引用;
  • 集合内部维护一个int变量modCount,用来记录集合被修改的次数,比如add,remove等都会使该字段递增;
  • modCount这个参数记录了某个List改变大小的次数,如果modCount改变的不符合预期,那么就会抛出异常。
  • 迭代器内部也维护着当前集合的修改次数的字段,迭代器创建时该字段初始化为集合的modCount值
  • 当每一次迭代时,迭代器会比较迭代器维护的字段和modCount的值是否相等,如果不相等就抛ConcurrentModifiedException异常;
  • 当然,如果用迭代器调用remove方法,那么集合和迭代器维护的修改次数都会递增,以保持两个状态的一致。

如下面ArrayList继承的AbstractList源码所示:

  • 定义了modCount
protected transient int modCount = 0;

ArrayList源码:

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();
    }
}
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, 
        elementData, index,numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

可以发现进行remove操作时变量modCount自增了

  Ps:java.util包下的集合类都是采用快速失败机制的,不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改)。

安全失败(fail—safe)

  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。

  原理:由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会触发Concurrent Modification Exception。
  缺点:基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception,但同样地,迭代器并不能访问到修改后的内容,即:迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。
  Ps:java.util.concurrent包下的容器都是安全失败,可以在多线程下并发使用,并发修改。

作者:上帝爱吃苹果-Soochow