Java 集合系列-第四篇-fail-fast簡介
fail-fast簡介
fail-fast 機制是java集合(Collection)中的一種錯誤機制。當多個線程對同一個集合的內容進行操做時，就可能會產生fail-fast事件。 例如：當某一個線程A經過iterator去遍歷某集合的過程當中，若該集合的內容被其餘線程所改變了；那麼線程A訪問集合時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。java
fail-fast示例
import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
* @desc java集合中Fast-Fail的測試程序。
*
* fast-fail事件產生的條件：當多個線程對Collection進行操做時，若其中某一個線程經過iterator去遍歷集合時，該集合的內容被其餘線程所改變；則會拋出ConcurrentModificationException異常。
* fast-fail解決辦法：經過util.concurrent集合包下的相應類去處理，則不會產生fast-fail事件。
*
* 本例中，分別測試ArrayList和CopyOnWriteArrayList這兩種狀況。ArrayList會產生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不會產生fast-fail事件。
* (01) 使用ArrayList時，會產生fast-fail事件，拋出ConcurrentModificationException異常；定義以下：
* private static List<String> list = new ArrayList<String>();
* (02) 使用時CopyOnWriteArrayList，不會產生fast-fail事件；定義以下：
* 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) {
// 同時啓動兩個線程對list進行操做！
new ThreadOne().start();
new ThreadTwo().start();
}
private static void printAll() {
System.out.println("");
//這種遍歷方式會發生錯誤，快速遍歷方式不會發生錯誤。
String value = null;
Iterator iter = list.iterator();
while(iter.hasNext()) {
value = (String)iter.next();
System.out.print(value+", ");
}
/**
這種方式也會發生錯誤
for (String i :list){
System.out.println(i);
}
**/
/**
for (int i =0;i<size;i++){
System.out.println(list.get(i).toString());
}
這種方式不會發生錯誤，必定能遍歷對
for (int i =0;i<size;i++){
System.out.println(list.get(i).toString());
}
*/
}
/**
* 向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一個數以後，就經過printAll()遍歷整個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，每添加一個數以後，就經過printAll()遍歷整個list
*/
private static class ThreadTwo extends Thread {
public void run() {
int i = 10;
while (i<16) {
list.add(String.valueOf(i));
printAll();
i++;
}
}
}
}
運行該代碼，拋出異常java.util.ConcurrentModificationException！即，產生fail-fast事件！數組
-
FastFailTest中經過 new ThreadOne().start() 和 new ThreadTwo().start() 同時啓動兩個線程去操做list。多線程
ThreadOne線程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一個數以後，就經過printAll()遍歷整個list。app
ThreadTwo線程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一個數以後，就經過printAll()遍歷整個list。dom
-
當某一個線程遍歷list的過程當中，list的內容被另一個線程所改變了；就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。函數
fail-fast解決辦法
fail-fast機制，是一種錯誤檢測機制。它只能被用來檢測錯誤，由於JDK並不保證fail-fast機制必定會發生。若在多線程環境下使用fail-fast機制的集合，建議使用「java.util.concurrent包下的類」去取代「java.util包下的類」。 因此，本例中只須要將ArrayList替換成java.util.concurrent包下對應的類便可。 即，將代碼測試
private static List<String> list = new ArrayList<String>();
替換爲this
private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
fail-fast原理
產生fail-fast事件，是經過拋出ConcurrentModificationException異常來觸發的。 那麼，ArrayList是如何拋出ConcurrentModificationException異常的呢?線程
咱們知道，ConcurrentModificationException是在操做Iterator時拋出的異常。咱們先看看Iterator的源碼。ArrayList的Iterator是在父類AbstractList.java中實現的。代碼以下：code
package java.util;
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
...
// AbstractList中惟一的屬性
// 用來記錄List修改的次數：每修改一次(添加/刪除等操做)，將modCount+1
protected transient int modCount = 0;
// 返回List對應迭代器。實際上，是返回Itr對象。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
// Itr是Iterator(迭代器)的實現類
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor = 0;
int lastRet = -1;
// 修改數的記錄值。
// 每次新建Itr()對象時，都會保存新建該對象時對應的modCount；
// 之後每次遍歷List中的元素的時候，都會比較expectedModCount和modCount是否相等；
// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
// 獲取下一個元素以前，都會判斷「新建Itr對象時保存的modCount」和「當前的modCount」是否相等；
// 若不相等，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生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，咱們能夠發如今調用 next() 和 remove()時，都會執行 checkForComodification()。若 「modCount 不等於 expectedModCount」，則拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast機制，咱們就要須要理解何時「modCount 不等於 expectedModCount」！ 從Itr類中，咱們知道 expectedModCount 在建立Itr對象時，被賦值爲 modCount。經過Itr，咱們知道：expectedModCount不可能被修改成不等於 modCount。因此，須要考證的就是modCount什麼時候會被修改。
arraylist 源碼get方法
/**
* Returns the element at the specified position in this list.
*
* @param index index of the element to return
* @return the element at the specified position in this list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
/**
* Checks if the given index is in range. If not, throws an appropriate
* runtime exception. This method does *not* check if the index is
* negative: It is always used immediately prior to an array access,
* which throws an ArrayIndexOutOfBoundsException if index is negative.
*/
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
所以採用快速訪問的方式，是不會拋出異常的。
接下來，咱們查看ArrayList的源碼，來看看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中容量變化時，對應的同步函數
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);
}
}
// 添加元素到隊列最後
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;
}
// 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，咱們發現：不管是add()、remove()，仍是clear()，只要涉及到修改集合中的元素個數時，都會改變modCount的值。
在某一時刻，「線程a」建立了arrayList的Iterator。此時「節點A」仍然存在於arrayList中，建立arrayList時，expectedModCount = modCount(假設它們此時的值爲N)。 在「線程a」在遍歷arrayList過程當中的某一時刻，「線程b」執行了，而且「線程b」刪除了arrayList中的「節點A」。「線程b」執行remove()進行刪除操做時，在remove()中執行了「modCount++」，此時modCount變成了N+1！ 「線程a」接着遍歷，當它執行到next()函數時，調用checkForComodification()比較「expectedModCount」和「modCount」的大小；而「expectedModCount=N」，「modCount=N+1」,這樣，便拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
至此，咱們就徹底瞭解了fail-fast是如何產生的！ 即，當多個線程對同一個集合進行操做的時候，某線程訪問集合的過程當中，該集合的內容被其餘線程所改變(即其它線程經過add、remove、clear等方法，改變了modCount的值)；這時，就會拋出ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
解決fail-fast的原理
那麼java.util.concurrent包中是如何解決fail-fast事件的。
仍是以和ArrayList對應的CopyOnWriteArrayList進行說明。咱們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼：
package java.util.concurrent;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
import sun.misc.Unsafe;
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
/** The lock protecting all mutators */
transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private volatile transient Object[] array;
...
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* Sets the array.
*/
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
// 返回集合對應的迭代器
public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
...
private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
private final Object[] snapshot;
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
// 新建COWIterator時，將集合中的元素保存到一個新的拷貝數組中。
// 這樣，當原始集合的數據改變，拷貝數據中的值也不會變化。
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();
}
}
...
}
-
ArrayList繼承於AbstractList不一樣，CopyOnWriteArrayList沒有繼承於AbstractList，它僅僅只是實現了List接口。
-
ArrayList的iterator()函數返回的Iterator是在AbstractList中實現的；而CopyOnWriteArrayList是本身實現Iterator。
-
ArrayList的Iterator實現類中調用next()時，會「調用checkForComodification()比較‘expectedModCount’和‘modCount’的大小」；可是，CopyOnWriteArrayList的Iterator實現類中，沒有所謂的checkForComodification()，更不會拋出ConcurrentModificationException異常！
-
當添加元素的時候是進行加入了鎖控制的
-
private volatile transient Object[] array;volatile修飾之後遍歷集合的時候會實時獲取最新的數組的長度
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