fail-fast机制

Posted 2020-08-29 程姐

先了解一些词语

volatile：volatile的本意是“易变的”。volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。volatile 指出 i是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从i的地址中读取。对于volatile类型的变量，系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取，而不会利用cache当中的原有数值，以适应它的未知何时会发生的变化。

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。

 

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

/*
 * @desc java集合中Fast-Fail的测试程序。
 *
 *   fast-fail事件产生的条件：当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。
 *   fast-fail解决办法：通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。
 *
 *   本例中，分别测试ArrayList和CopyOnWriteArrayList这两种情况。ArrayList会产生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不会产生fast-fail事件。
 *   (01) 使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下：
 *            private static List<String> list = new ArrayList<String>();
 *   (02) 使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下：
 *            private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
 *
 * @author skywang
 */
public class FastFailTest {

    private static List<String> list = new ArrayList<String>();
    //private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    public static void main(String[] args) {
    
        // 同时启动两个线程对list进行操作！
        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，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个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，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
     */
    private static class ThreadTwo extends Thread {
        public void run() {
            int i = 10;
            while (i<16) {
                list.add(String.valueOf(i));
                printAll();
                i++;
            }
        }
    }

}

View Code

 

运行结果：
运行该代码，抛出异常java.util.ConcurrentModificationException！即，产生fail-fast事件！

结果说明：
(01) FastFailTest中通过 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同时启动两个线程去操作list。
    ThreadOne线程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
    ThreadTwo线程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
(02) 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。

 

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。

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();
        }
    }

    ...
}

View Code

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;
    }

    ...
}

View Code

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。

上面，说明了“解决fail-fast机制的办法”，也知道了“fail-fast产生的根本原因”。接下来，聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

 

CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素，可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来

public boolean add(T e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {

        Object[] elements = getArray();

        int len = elements.length;
        // 复制出新数组

        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 把新元素添加到新数组里

        newElements[len] = e;
        // 把原数组引用指向新数组

        setArray(newElements);

        return true;

    } finally {

        lock.unlock();

    }

}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

View Code

读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：

package com.ifeve.book;

import java.util.Map;

import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;

/**
 * 黑名单服务
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {

    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
            1000);

    public static boolean isBlackList(String id) {
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
    }

    public static void addBlackList(String id) {
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
    }

    /**
     * 批量添加黑名单
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }

}

View Code

代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：

1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。频繁的GC是因为修改CopyOnWriteArrayList里大量的元素造成的。两份对象内存是指修改前和修改后两个元素内存。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题。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。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。