Java集合框架中的快速失败（fail—fast）机制详解

Posted 2020-11-19 keeya

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包下的集合类都是快速失败的，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。