Java，你告诉我 fail-fast 是什么鬼？
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01、前言
说起来真特么惭愧：十年 IT 老兵，Java 菜鸟一枚。今天我才了解到 Java 还有 fail-fast 一说。不得不感慨啊，学习真的是没有止境。只要肯学，就会有巨多巨多别人眼中的“旧”知识涌现出来，并且在我这全是新的。
能怎么办呢？除了羞愧，就只能赶紧全身心地投入学习，把这些知识掌握。
为了镇楼，必须搬一段英文来解释一下 fail-fast。
In systems design, a fail-fast system is one which immediately reports at its interface any condition that is likely to indicate a failure. Fail-fast systems are usually designed to stop normal operation rather than attempt to continue a possibly flawed process. Such designs often check the system's state at several points in an operation, so any failures can be detected early. The responsibility of a fail-fast module is detecting errors, then letting the next-highest level of the system handle them.
大家不嫌弃的话，我就用蹩脚的英语能力翻译一下。某场战役当中，政委发现司令员在乱指挥的话，就立马报告给权限更高的中央军委——这样可以有效地避免更严重的后果出现。当然了，如果司令员是李云龙的话，报告也没啥用。
不过，Java 的世界里不存在李云龙。fail-fast 扮演的就是政委的角色，一旦报告给上级，后面的行动就别想执行。
怎么和代码关联起来呢？看下面这段代码。
public void test(Wanger wanger) {
if (wanger == null) {
throw new RuntimeException("wanger 不能为空");
}
System.out.println(wanger.toString());
}
一旦检测到 wanger 为 null，就立马抛出异常，让调用者来决定这种情况下该怎么处理，下一步 wanger.toString() 就不会执行了——避免更严重的错误出现，这段代码由于太过简单，体现不出来，后面会讲到。
瞧，fail-fast 就是这个鬼，没什么神秘的。如果大家源码看得比较多的话，这种例子多得就像旅游高峰期的人头。
然后呢，没了？三秒钟，别着急，我们继续。
02、for each 中集合的 remove 操作
很长一段时间里，我都不明白为什么不能在 for each 循环里进行元素的 remove。今天我们就来借机来体验一把。
List list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
这段代码看起来没有任何问题，但运行起来就糟糕了。
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
at com.cmower.java_demo.str.Cmower3.main(Cmower3.java:14)
为毛呢？
03、分析问题的杀手锏
这时候就只能看源码了，ArrayList.java 的 909 行代码是这样的。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
也就是说，remove 的时候执行了 checkForComodification 方法，该方法对 modCount 和 expectedModCount 进行了比较，发现两者不等，就抛出了 ConcurrentModificationException 异常。
可为什么会执行 checkForComodification 方法呢？这就需要反编译一下 for each 那段代码了。
List list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator var3 = list.iterator();
while (var3.hasNext()) {
String str = (String) var3.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
原来 for each 是通过迭代器 Iterator 配合 while 循环实现的。
1）ArrayList.iterator() 返回的 Iterator 其实是 ArrayList 的一个内部类 Itr。
public Iterator iterator() {
return new Itr();
}
Itr 实现了 Iterator 接口。
private class Itr implements Iterator {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
Itr() {}
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
}
也就是说 new Itr() 的时候 expectedModCount 被赋值为 modCount，而 modCount 是 List 的一个成员变量，表示集合被修改的次数。由于 list 此前执行了 3 次 add 方法，所以 modCount 的值为 3；expectedModCount 的值也为 3。
可当执行 list.remove(str) 后，modCount 的值变成了 4。
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; // clear to let GC do its work
}
注：remove 方法内部调用了 fastRemove 方法。
下一次循环执行到 String str = (String) var3.next(); 的时候，就会调用 checkForComodification 方法，此时一个为 3，一个为 4，就只好抛出异常 ConcurrentModificationException 了。
不信，可以直接在 ArrayList 类的 909 行打个断点 debug 一下。
真的耶，一个是 4 一个是 3。
总结一下。在 for each 循环中，集合遍历其实是通过迭代器 Iterator 配合 while 循环实现的，但是元素的 remove 却直接使用的集合类自身的方法。这就导致 Iterator 在遍历的时候，会发现元素在自己不知情的情况下被修改了，它觉得很难接受，就抛出了异常。
读者朋友们，你们是不是觉得我跑题了，fail-fast 和 for each 中集合的 remove 操作有什么关系呢？
有！Iterator 使用了 fail-fast 的保护机制。
04、怎么避开 fail-fast 保护机制呢
通过上面的分析，相信大家都明白为什么不能在 for each 循环里进行元素的 remove 了。
那怎么避开 fail-fast 保护机制呢？毕竟删除元素是常规操作，咱不能因噎废食啊。
1）remove 后 break
List list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
break;
}
}
我怎么这么聪明，忍不住骄傲一下。有读者不明白为什么吗？那我上面的源码分析可就白分析了，爬楼再看一遍吧！
略微透露一下原因：break 后循环就不再遍历了，意味着 Iterator 的 next 方法不再执行了，也就意味着 checkForComodification 方法不再执行了，所以异常也就不会抛出了。
但是呢，当 List 中有重复元素要删除的时候，break 就不合适了。
2）for 循环
List list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
for (int i = 0, n = list.size(); i < n; i++) {
String str = list.get(i);
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
for 循环虽然可以避开 fail-fast 保护机制，也就说 remove 元素后不再抛出异常；但是呢，这段程序在原则上是有问题的。为什么呢？
第一次循环的时候，i 为 0，list.size() 为 3，当执行完 remove 方法后，i 为 1，list.size() 却变成了 2，因为 list 的大小在 remove 后发生了变化，也就意味着“沉默王三”这个元素被跳过了。能明白吗？
remove 之前 list.get(1) 为“沉默王三”；但 remove 之后 list.get(1) 变成了“一个文章真特么有趣的程序员”，而 list.get(0) 变成了“沉默王三”。
3）Iterator
List list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator itr = list.iterator();
while (itr.hasNext()) {
String str = itr.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
itr.remove();
}
}
为什么使用 Iterator 的 remove 方法就可以避开 fail-fast 保护机制呢？看一下 remove 的源码就明白了。
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();
}
}
虽然删除元素依然使用的是 ArrayList 的 remove 方法，但是删除完会执行 expectedModCount = modCount，保证了 expectedModCount 与 modCount 的同步。
05、最后
在 Java 中，fail-fast 从狭义上讲是针对多线程情况下的集合迭代器而言的。这一点可以从 ConcurrentModificationException 定义上看得出来。
This exception may be thrown by methods that have detected concurrent modification of an object when such modification is not permissible.
再次拙劣地翻译一下。
该异常可能由于检测到对象在并发情况下被修改而抛出的，而这种修改是不允许的。
通常，这种操作是不允许的，比如说一个线程在修改集合，而另一个线程在迭代它。这种情况下，迭代的结果是不确定的。如果检测到这种行为，一些 Iterator（比如说 ArrayList 的内部类 Itr）就会选择抛出该异常。这样的迭代器被称为 fail-fast 迭代器，因为尽早的失败比未来出现不确定的风险更好。
既然是针对多线程，为什么我们之前的分析都是基于单线程的呢？因为从广义上讲，fail-fast 指的是当有异常或者错误发生时就立即中断执行的这种设计，从单线程的角度去分析，大家更容易明白。
你说对吗？
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