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Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过Array

Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过Array

作者: 废弃的root | 来源:发表于2018-11-13 17:25 被阅读34次

    概要

    前面,我们已经学习了ArrayList。接下来,我们以ArrayList为例,对Iterator的fail-fast机制进行了解。内容包括::

    1 fail-fast简介

    2 fail-fast示例

    3 fail-fast解决办法

    4 fail-fast原理

    5 解决fail-fast的原理

    1 fail-fast简介

    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。

    2 fail-fast示例

    示例代码:(FastFailTest.java)

    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++;

                }

            }

        }

    }

    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。

    3 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。

    即,将代码

    privatestaticList list =newArrayList();

    替换为

    privatestaticList list =newCopyOnWriteArrayList();

    则可以解决该办法。

    4 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();

            }

        }

        ...

    }

    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;

        }

        ...

    }

    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。

    5 解决fail-fast的原理

    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,我们再进一步谈谈java.util.concurrent包中是如何解决fail-fast事件的。

    还是以和ArrayList对应的CopyOnWriteArrayList进行说明。我们先看看CopyOnWriteArrayList的源码:

    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 {

        ...

        // 返回集合对应的迭代器

        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时,将集合中的元素保存到一个新的拷贝数组中。

                // 这样,当原始集合的数据改变,拷贝数据中的值也不会变化。

                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();

            }

        }

        ...

    }

    从中,我们可以看出:

    (01) 和ArrayList继承于AbstractList不同,CopyOnWriteArrayList没有继承于AbstractList,它仅仅只是实现了List接口。

    (02) ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的;而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。

    (03) ArrayList的Iterator实现类中调用next()时,会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”;但是,CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中,没有所谓的checkForComodification(),更不会抛出ConcurrentModificationException异常!

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