迭代器与ConcurrentModificationException
Vector、ArrayList在迭代的时候如果同时对其进行修改就会抛出ConcurrentModificationException异常。下面我们就来讨论以下这个异常出现的原因以及解决办法。
无论是直接迭代还是在Java5.0引入的for-each循环语法中，对容器类进行迭代的标准方式都是使用Iterator。然而，如果有其它线程并发地修改容器，那么即使是使用迭代器也无法避免在迭代期间对容器加锁。在设计同步容器类的迭代器时并没有考虑到并发修改的问题，并且它们表现出的行为是“及时失败”（fail-fast）的。这意味着，当它们发现容器在迭代过程中被修改时，就会抛出一个ConcurrentModificationException异常。
这种“及时失败”的迭代器并不是一种完备的处理机制，而只是“善意地”捕获并发错误，因此只能作为并发问题的预警指示器。它们采用的实现方式是，将计数器的变化与容器关联起来：如果在迭代期间计数器被修改，那么hasNext或next将抛出ConcurrentModificationException。然而，这种检查是在没有同步的情况下进行的，因此可能会看到失效的计数值，而迭代器可能并没有意识到已经发生了修改。这是一种设计上的权衡，从而降低并发修改操作的检测代码对程序性能带来的影响。
ConcurrentModificationException异常出现的原因
先看下面这段代码：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(2);
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer integer = iterator.next();
if (integer == 2)
list.remove(integer);
}
}
}
执行结果：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(Unknown Source)
at java.util.ArrayList$Itr.next(Unknown Source)
at Test.main(Test.java:9)
从异常信息可以发现，异常出现在checkForComodification()方法中。
我们不忙看checkForComodification()方法的具体实现，我们先根据程序的代码一步一步看ArrayList源码的实现：
首先看ArrayList的iterator()方法的具体实现，查看源码发现在ArrayList的源码中并没有iterator()这个方法，那么很显然这个方法应该是其父类或者实现的接口中的方法，我们在其父类AbstractList中找到了iterator()方法的具体实现，下面是其实现代码：
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
从这段代码可以看出返回的是一个指向Itr类型对象的引用，我们接着看Itr的具体实现，在AbstractList类中找到了Itr类的具体实现，它是AbstractList的一个成员内部类，下面这段代码是Itr类的所有实现：
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor = 0;
int lastRet = -1;
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
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();
}
}
首先我们看一下它的几个成员变量：
1）cursor：表示下一个要访问的元素的索引，从next()方法的具体实现就可看出；
2）lastRet：表示上一个访问的元素的索引；
3）expectedModCount：表示对ArrayList修改次数的期望值，它的初始值为modCount；
4）modCount是AbstractList类中的一个成员变量。
protected transient int modCount = 0;
该值表示对List的修改次数，查看ArrayList的add()和remove()方法就可以发现，每次调用add()方法或者remove()方法就会对modCount进行加1操作。
好了，到这里我们再看看上面的程序：
当调用list.iterator()返回一个Iterator之后，通过Iterator的hashNext()方法判断是否还有元素未被访问，我们看一下hasNext()方法，hashNext()方法的实现很简单：
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
如果下一个访问的元素下标不等于ArrayList的大小，就表示有元素需要访问，这个很容易理解，如果下一个访问元素的下标等于ArrayList的大小，则肯定到达末尾了。
然后通过Iterator的next()方法获取到下标为0的元素，我们看一下next()方法的具体实现：
public E next() {
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
这里是非常关键的地方：首先在next()方法中会调用checkForComodification()方法，然后根据cursor的值获取到元素，接着将cursor的值赋给lastRet，并对cursor的值进行加1操作。初始时，cursor为0，lastRet为-1，那么调用一次之后，cursor的值为1，lastRet的值为0。注意：此时modCount为1，expectedModCount也为1（因为调用了一次ArrayList的add方法）。
接着往下看，程序中判断当前元素的值是否为2，若为2，则调用list.remove()方法来删除该元素。
我们看一下在ArrayList中的remove()方法做了什么：
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
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
}
通过remove方法删除元素最终是调用的fastRemove()方法，在fastRemove()方法中，首先对modCount进行加1操作（因为对集合修改了一次），然后接下来就是删除元素的操作，最后将size进行减1操作，并将引用置为null以方便垃圾收集器进行回收工作。
那么注意此时各个变量的值：对于iterator，其expectedModCount为1，cursor的值为1，lastRet的值为0。
对于list，其modCount为2，size为0。
接着看程序代码，执行完删除操作后，继续while循环，调用hasNext()方法判断，由于此时cursor为1，而size为0，那么返回true，所以继续执行while循环，然后继续调用iterator的next()方法。
注意，此时要注意next()方法中的第一句：checkForComodification()。
在checkForComodification方法中进行的操作是：
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
如果modCount不等于expectedModCount，则抛出ConcurrentModificationException异常。
很显然，此时modCount为2，而expectedModCount为1，因此程序就抛出了ConcurrentModificationException异常。
到这里，想必大家应该明白为何上述代码会抛出ConcurrentModificationException异常了。关键点就在于：调用list.remove()方法导致modCount和expectedModCount的值不一致。
在单线程环境下的解决办法
既然知道原因了，那么如何解决呢？
其实很简单，细心的朋友可能发现在Itr类中也给出了一个remove()方法：
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();
}
}
在这个方法中，删除元素实际上调用的就是list.remove()方法，但是它多了一个操作：
expectedModCount = modCount;
因此，在迭代器中如果要删除元素的话，需要调用Itr类的remove方法。
将上述代码改为下面这样就不会报错了：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(2);
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer integer = iterator.next();
if (integer == 2)
iterator.remove();
}
}
}
在多线程环境下的解决方法
上面的解决办法在单线程环境下适用，但是在多线程下适用吗？看下面一个例子：
public class Test {
static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
public static void main(String[] args) {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);
list.add(5);
Thread thread1 = new Thread() {
public void run() {
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer integer = iterator.next();
System.out.println(integer);
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
};
Thread thread2 = new Thread() {
public void run() {
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer integer = iterator.next();
if (integer == 2)
iterator.remove();
}
};
};
thread1.start();
thread2.start();
}
}
运行结果：
1
Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(Unknown Source)
at java.util.ArrayList$Itr.next(Unknown Source)
at Test$1.run(Test.java:15)
有可能有朋友说ArrayList是非线程安全的容器，换成Vector就没问题了，实际上换成Vector还是会出现这种错误。
原因在于，虽然Vector的方法采用了synchronized进行了同步，但是由于Vector是继承的AbstarctList，因此通过Iterator来访问容器的话，事实上是不需要获取锁就可以访问。那么显然，由于使用iterator对容器进行访问不需要获取锁，在多线程中就会造成当一个线程删除了元素，由于modCount是AbstarctList的成员变量，因此可能会导致在其他线程中modCount和expectedModCount值不等。
就比如上面的代码中，很显然iterator是线程私有的，
初始时，线程1和线程2中的modCount、expectedModCount都为0，
当线程2通过iterator.remove()删除元素时，会修改modCount值为1，并且会修改线程2中的expectedModCount的值为1，
而此时线程1中的expectedModCount值为0，虽然modCount不是volatile变量，不保证线程1一定看得到线程2修改后的modCount的值，但是也有可能看得到线程2对modCount的修改，这样就有可能导致线程1中比较expectedModCount和modCount不等，从而抛出异常。
因此一般有2种解决办法：
1）在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步；
2）使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。
隐藏迭代器
虽然加锁可以防止迭代器抛出ConcurrentModificationException，但你必须要记住在所有对共享容器进行迭代的地方都需要加锁。实际情况要更加复杂，因为在某些情况下，迭代器会隐藏起来。
看下面的这段代码：
public class HiddenIterator {
private final Set<Integer> set = new HashSet<Integer>();
public synchronized void add(Integer i) {
set.add(i);
}
public synchronized void remove(Integer i) {
set.remove(i);
}
public void addTenThing() {
Random r = new Random();
for (int i=0; i<10; i++)
add(r.nextInt());
System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);
}
}
在HiddenIterator中没有显式的迭代操作，但在System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);这句代码中将执行迭代操作。编译器将字符串的连接操作转换为调用StringBuilder.append(Object)，而这个方法又会调用容器的toString方法，标准容器的toString方法将迭代容器，并在元素上调用toString来生成容器内容的格式化表示。
网友评论